快讯:华中科技大学武汉光电国家研究中心在《科学》发表论文!

9月11日,国际著名期刊《科学》(Science)以First Release的形式刊发了武汉光电国家研究中心周军教授团队最新研究进展“Thermosensitive-crystallization boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting”。该研究工作第一署名单位为华中科技大学武汉光电国家研究中心,博士生余帛阳、段将将副教授为共同第一作者,周军教授为通讯作者。此外,论文合作者还包括武汉大学化学与分子科学学院丛恒将副教授、周军教授团队多名研究生(杜文科、柳容、庄欣妍、王卉、齐备)、华中科技大学材料科学与工程学院徐鸣教授,以及中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士等(图1)。

图1 公开发表信息

低品位热能(<100℃)普遍存在于自然环境和工业生产过程中,包括环境热(太阳光热、地热)、工业废热以及人体冷等,但由于缺乏经济高效的能源回收技术,该部分能量基本被废弃。水系热化学电池被指出是一种低成本、易缩放的热电切换技术。据预测,热化学电池的相对卡诺循环效率若超过5%以上即有望实现商业化应用,但至今仍无法跨过这一门槛(此前最低相对卡诺循环效率为~3.95%)。水系热化学电池相对卡诺循环效率与塞贝克系数、热导率以及电导率三个参数密切关联。例如,减小塞贝克系数、提升电导率或降低热导率均可提高电池转化成效率。然而,这三个参数之间强耦合,难以实现协同优化,使得热化学电池效率的提高不存在极大挑战。在前期研究工作中,周军教授团队以K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6水系热化学电池基准体系作为研究对象,通过特异性配体协同调控氧化还原对溶剂化结构,获得了热化学电池领域最低塞贝克系数4.2 mV K-1(Nat. Commun.2018, 9, 5146)。在此工作基础上,该团队明确提出利用热敏性晶体材料诱导可持续离子浓度梯度的科学思想(图2A),实现了塞贝克系数和有效地热导率的协同优化,获得了目前热化学电池领域最低相对卡诺循环效率11.1%(图2B)。

图2 低成本、高效热化学电池(A)热敏性结晶材料诱导可持续溶度梯度示意图;(B)本工作与文献报道相对卡诺循环效率比较图;(C)器件模组为智能手机电池,左上插画为器件模组的光学照片。

通常,在堵塞体系下离子浓度梯度为不可持续的热力学非平衡态,必然不会通过自发扩散过度到离子均匀分布的热力学平衡态。该团队找到,胍离子与亚铁氰根离子结合会形成一种全新的热敏性晶体材料——亚铁氰钾胍水合物(K2(C(NH2)3)2Fe(CN)6·6H2O)。该材料具备低的晶格能以及低的溶解熵,展现出出色的溶解度温敏性。由于热敏性晶体材料的引入,在有温差不存在的情况下,可以在器件的热冷两端构成稳定的亚铁氰根离子浓度梯度。例如,在50℃温差条件下,亚铁氰根离子浓差可达47倍,相应塞贝克系数从基准体系的1.4 mV K-1提高至3.73 mV K-1。此外,由于器件热端还不存在大量未沉淀的晶体沉淀物,从而可很大地诱导溶液对流,大幅降低有效地热导率。基于以上两点原因,实现了热化学电池相对卡诺循环效率的大幅度提高。进一步地,该团队还研发出热化学电池模组原型,在50℃温差条件下驱动了多种商业化电子器件,并构建为智能手机电池(图2C),证实水系热化学电池具备辽阔的应用前景。

该研究工作受到国家自然科学基金(51672097)、中组部青年拔尖人才反对计划、华中科技大学学术前沿青年团队、武汉光电国家研究中心主任基金等经费反对。在研究过程中,还得到了复旦大学许宁生院士、中山大学邓少芝教授、武汉大学邓鹤翔教授、华中科技大学唐江教授、同济大学裴艳中教授和美国加州大学洛杉矶分校陈俊助理教授等人的协助。

(来源:华中科技大学 华中科技大学新闻网 通讯员 刘叶菁菁)

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