上海交大錢小石副教授在Nature上發(fā)表論文
突破電卡制冷效應工程應用瓶頸
北京時間12月23日，上海交通大學機械與動力工程學院錢小石、陳江平團隊，和物理與天文學院學院、自然科學研究院洪亮課題組，化學化工學院黃興溢課題組組成得跨學科交叉研究團隊在Nature上發(fā)表“High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields”得論文，通過精巧設計分子缺陷調控弛豫鐵電材料，制備了一種極化高熵高分子，顯著提高低電場下得巨電卡效應，并首次將循環(huán)壽命提高至逾百萬次。錢小石副教授為感謝第壹與通訊。這是華夏科研單位首次在Nature發(fā)表以電卡制冷為主題得論文，也是上海交大機械與動力工程學院首次以第壹完成單位在Nature上發(fā)表研究論文。
巨電卡效應（Giant Electrocaloric Effect）是一種奇異得凝聚態(tài)物理現(xiàn)象，利用電介質充放電過程中得可逆電致溫變組成制冷循環(huán)，逆著溫度梯度輸運熱量。該領域研究涉及工程熱物理、凝聚態(tài)物理、電子電氣工程、機械工程、有機/無機功能材料等學科，具有顯著學科交叉特色。電卡制冷系統(tǒng)使用介電電容器制冷，電能損耗小、能效高，具有零溫室效應潛能（GWP）、易于小型化/輕量化等特點，是實現(xiàn)雙碳目標得重要顛覆性前瞻技術之一。然而，目前允許得制冷電介質仍需極高外加電場，才能產(chǎn)生工業(yè)化可用得降溫效果，而高電場在實際樣機工作過程中，極易造成材料老化與擊穿，因而如何提升材料在低電場下得電致熵變是應用領域亟需攻克得難題。
圖1 通過設計極化高熵材料提高低場電卡效應
感謝通過設計一系列極化高熵高分子,顯著增強了高分子得本征電致熵變，無需異質材料摻雜。在較低外加電場（50 MVm-1）得驅動下，這種極化高熵材料表現(xiàn)出得電卡效應是目前允許制冷高分子得近4倍。多種結構表征均表明，高熵高分子同時具備更高得結晶度與更小得晶粒尺寸，據(jù)此可推測材料內呈現(xiàn)極化基元數(shù)量得顯著增長，系統(tǒng)具有更高得自由度與極化熵。
圖2 高熵聚合物場致相變分析
除了提高零場偶極自由度，該高熵高分子在低電場下更容易發(fā)生相變。上海光源同步輻射19U，16B線站原位電場下得X射線衍射結果表明，極化高熵材料得相變能壘更低，外加電場后極化晶區(qū)得比例更高，在低電場驅動下相變能力提高5倍。同時，準彈性中子散射實驗表明，高熵高分子高頻震動受限（1ns），因而該高熵高分子能夠在實現(xiàn)低場高電卡效應得同時表現(xiàn)出較高得機械強度，有利于探索該型材料后續(xù)產(chǎn)業(yè)化工藝。
圖3 高熵聚合物得介電性能
介電測試數(shù)據(jù)亦暗示了材料內極化基元得高熵狀態(tài)。隨著分子缺陷含量得微量提高，高熵高分子介電溫譜中極性峰值逐漸提高，同時峰值溫度表現(xiàn)出顯著得釘扎特性，揭示分子缺陷在促進鐵電極化區(qū)總量得同時，并未提高極化基元間得居里常數(shù)（極化關聯(lián)）。介電表征與朗道理論、結構表征數(shù)據(jù)一道驗證了系統(tǒng)所處得極化高熵狀態(tài)。
圖4 高熵聚合物得循環(huán)特性
高熵高分子在約40MVm-1得低電場以上即可超過工程應用得電卡效應門檻，在80MVm-1得電場下循環(huán)工作六萬余次后制冷性能不變。繼續(xù)循環(huán)超過百萬次后制冷/制熱能量可逆性顯著提高，制冷效應僅衰減不足10%。相同工況下，循環(huán)壽命提高超過20000倍。使用該型高熵高分子得主動回熱型制冷系統(tǒng)理論溫跨超過50攝氏度、大溫跨工況下熱力學完善度超過80%。
研究工作獲得科技部重點研發(fā)計劃變革性技術與關鍵科學問題專項、China自然科學基金和上海市自然科學基金來自互聯(lián)網(wǎng)探索項目得資助。錢小石作為該項交叉研究課題得負責人，提出研究想法后，組織設計實驗、搭建平臺，與博士生韓東霖完成了主要工作。研究工作獲得多個團隊支持，其中上海光源原位Xray散射實驗，以及美國技術標準局中子平臺得準彈性中子散射實驗由洪亮課題組完成；黃興溢團隊、黃厚兵團隊分別在材料設計合成與相場仿真方面為本研究提供重要支撐。機動學院博士生韓東霖、洪亮團隊博士生鄭力榮、黃興溢團隊博士后陳杰為共同第壹；洪亮、黃興溢與北京理工大學黃厚兵為共同通訊。此外，美國賓州州立大學、北卡州立大學等多家國際研究團隊也參與了研究工作。
錢小石長期從事功能材料與智能系統(tǒng)研究，參與了多款高分子、陶瓷功能材料設計與制備工藝研發(fā)，現(xiàn)任國際能源署53號附件組可能，華夏“相變制冷材料與技術可以委員會”委員。入職上海交大以來，他以第壹或通訊在Nature、Joule（2）、Nature Nanotechnology、華夏科學：技術科學（英文版）、國際制冷學報等學術刊物發(fā)表多篇論文，主持China重點研發(fā)計劃專項課題、自然科學基金面上項目、上海市科委“來自互聯(lián)網(wǎng)探索”項目等多項來自互聯(lián)網(wǎng)、學科交叉型科研項目。
論文鏈接：
特別nature/articles/s41586-021-04189-5
