界面增强纳米定形相变储热的同步辐射研究

Shape-stablized phase change of nanocomposites is an effective means to thermal energy conversion and storage. And their interface has an important influence on the phase transition temperature and latent heat. However, the conventional optical methods can not accurately characterize the physical structure and chemical bonding of the interface in nanoscale. As a result, interface enhancement effect of the nano-system could not be recognized. On basis of our previous research, this project intends to overcome this problem by combination with the high temporal and spatial resolution optical testing techniques in National Synchrotron Radiation Laboratory in Hefei, via revealing structural features of organic/inorganic interfaces and their bonding characteristics. Finally, interface phase change thermal storage nano-system will be achieved. The main contents can be descibed as following: (1) interface design of the core - shell nanostructured organic/inorganic phase change systems. (2) In situ analysis of interfacial structures before and after the phase transition via infrared chemical imaging and soft X-ray microscopy. And in situ analysis of the evolution of electronic structure and vibrational modes before and after the phase change, via high-resolution infrared spectroscopy and photoelectron spectroscopy; (3) Research on optimization of the interface enhanced efficient phase change thermal storage and heat control nano-systems. One hand, the smooth implementation of the project will lead to development of the efficient thermal energy conversion and storage technologies. On the other hand, this will promote the application of synchrotron radiation technology in field of nanomaterials research, and thus develop its own technical level.

纳米定形相变是热能转换与存储的有效手段，界面对其相变温度和潜热具有重要影响。然而，目前传统的光学测试手段无法准确表征纳米尺度下界面的物理结构和化学键合作用，界面增强效应的微观机制尚不清楚。本项目拟在前期智能控热纳米体系研究的基础上，利用合肥同步辐射大科学装置上高时间、空间分辨的原位光学测试技术，揭示有机/无机界面的结构特征和键合作用，据此发展界面增强的纳米相变储热体系。主要研究内容包括：（1）芯-壳纳米结构有机/无机定形相变体系界面设计；（2）结合红外化学成像分析定形相变纳米体系相变前后结构的原位动态变化，利用高分辨红外光谱和光电子能谱原位分析相变前后振动模式和电子结构的演化规律；（3）界面增强定形相变高效储热与可控放热体系的优化。本项目的顺利实施一方面将为发展高效的热能转换与存储技术提供材料与技术，另一方面将发展同步辐射技术在能源纳米材料研究领域应用的有效途径。

纳米限域定形相变是热能存储和利用的有效手段。本项目以纳米定形相变为基础，以太阳光热、工业余（废）热等低品位热的有效利用为目标牵引，结合多种物理、化学方法设计并制备了不同维度的纳米定型相变体系，在同步辐射原位变温红外光谱和小角X射线散射等的精准表征下，重点探讨了界面增强效应对相变材料相变温度、潜热、热导率等的有效调节及其内在机制。之后我们构建了具有宽光谱响应高效光热转化能力的Cu7S4准二维纳米结构，在同步辐射X-射线吸收精细结构拟合得到原子结构参数的基础上结合第一性原理计算探索其增强光热转换能力的机制。进一步，我们将高效光热与定形相变有效结合，发展了兼具太阳光热和能量存储的双功能复合薄膜材料，并被国内权威媒体《人民日报》（2017年02月28日 12 版）予以关注报道。同时，设计制备了具有定向传热能力的智能导热材料和具有阻燃能力的柔性绝热材料，为热能的有效富集、存储和可控释放提供了原理验证和材料基础。在以上工作基础上，我们开始探索其在可再生与可持续性能源领域中的应用，开发了利用废热发电的热电转换器件、利用太阳光热的海水脱盐薄膜和界面耦合增强的光化学器件等一系列具有很强实用价值的材料和器件。鉴于我们在定向传热、高能量密度储热和高效光-热-电转换等纳米热控材料与储能技术领域取得研究成果,美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory (NREL)）Lawrence Kazmerski教授邀请我们在国际能源领域权威期刊/顶级期刊《可再生与可持续性能源综述》发表综述文章，认为我们研究的热控课题既有重大意义，又对本领域学科有重要贡献。相关研究结果已经在Nanoscale、Renewable and Sustainable Energy Reviews、Solar Energy Materials & Solar Cells、ACS Applied Energy Material、ACS Applied Nano Materials等国际期刊上发表（接受）SCI论文6篇，申请国家专利9项，已完成所有既定目标。