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糖醇類材料尤其是赤蘚糖醇是一種常見的代糖產(chǎn)品，在食品和藥品行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。在代糖功能之外，近年來研究者們也在探索赤蘚糖醇的新用途。近日，浙江大學(xué)能源高效清潔利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室范利武研究員領(lǐng)銜的相變與微尺度傳熱團(tuán)隊(duì)在中低溫相變儲熱領(lǐng)域取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“用于跨季儲熱的高性能深過冷赤蘚糖醇相變材料（Supercooled erythritol for high-performance seasonal thermal energy storage）”為題，于2024年6月11日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志上。

研究簡介

在“雙碳”目標(biāo)下，儲熱技術(shù)對于提升可再生能源利用效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)余熱回收和建筑低碳供熱具有重要意義。作為儲熱技術(shù)的一種，相變儲熱技術(shù)具有在中低溫區(qū)儲熱密度大的優(yōu)勢。對于相變儲熱技術(shù)而言，相變儲熱材料是其核心組成部分。因具有較高的熔化潛熱（~330 J/g），合適的相變溫度（~118℃），較低的價格成本（~12元/kg），近年來赤蘚糖醇成為備受關(guān)注的新型中低溫區(qū)相變儲熱材料。另外，由于赤蘚糖醇自身較高的過冷度（~60℃），在熔點(diǎn)以下可保持潛熱不被釋放的過冷狀態(tài)，也使其具備成為跨季儲熱相變材料的潛力。

如圖1所示，利用過冷特性可構(gòu)造太陽能跨季長周期儲熱系統(tǒng)，為寒冷地區(qū)建筑實(shí)現(xiàn)“夏熱冬用”提供技術(shù)支撐。與水體、土壤等顯熱儲熱方式相比，跨季節(jié)相變儲熱不僅可以降低長周期保溫成本，而且能降低選址對于場地位置的依賴性，有望成為一種太陽能低碳跨季供熱的靈活性補(bǔ)充方式。

圖1 基于相變材料的太陽能跨季儲熱供熱系統(tǒng)示意圖

然而，純赤蘚糖醇難以在低溫甚至極寒（-30℃）環(huán)境下保持穩(wěn)定過冷狀態(tài)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的跨季長周期儲熱。因此，如何提升赤蘚糖醇作為相變材料的過冷度是跨季儲熱應(yīng)用領(lǐng)域亟待攻克的技術(shù)難題。如圖2所示，針對如何提升赤蘚糖醇的過冷度并用于長周期儲熱的問題，范利武研究團(tuán)隊(duì)提出基于固-液界面能強(qiáng)化的方式，通過添加適量的卡拉膠形成復(fù)合相變材料在儲熱時為潛熱加上一把“鎖”；然后在放熱時通過超聲觸發(fā)結(jié)晶的方式，掌握打開這把鎖的“鑰匙”。值得一提的是，卡拉膠本身也是一種常見的增稠劑，這兩種原本廣泛用于食品等輕工領(lǐng)域的原料經(jīng)過簡單組合之后具有了奇妙的高性能跨季儲熱能力。

圖2 為赤蘚糖醇的潛熱上“鎖”后“開鎖”

研究結(jié)果表明，在添加15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的卡拉膠后，赤蘚糖醇的固-液界面能增加45.3%，臨界吉布斯成核自由能增加544%，最小晶核半徑增加136%（如圖3所示）。在等溫和非等溫冷卻條件下，經(jīng)過界面能提升后的赤蘚糖醇均在-100℃的低溫環(huán)境中表現(xiàn)出了超穩(wěn)定的過冷行為。同時，研究團(tuán)隊(duì)通過簡單的超聲方式在-30℃環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶過程的可控觸發(fā)，為強(qiáng)化過冷后的赤蘚糖醇相變潛熱按需釋放提供了有效方法。

圖3 通過固-液界面能強(qiáng)化提高過冷行為實(shí)現(xiàn)長周期儲熱: a -100℃下的非等溫冷卻性能”；b -140℃下的等溫冷卻性能；c -30℃下的長周期儲熱；d 固-液界面能的提升效果; e 可控觸發(fā)結(jié)晶釋熱

總結(jié)與展望

該研究通過固-液界面能調(diào)控，將赤蘚糖醇的過冷度極大幅度地提高，使其具有在太陽能跨季利用時的高性能長周期儲熱能力。另外，該研究獲得的深過冷赤蘚糖醇也具有在空間、極地、高原等極端低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)跨較長周期、跨較大溫差儲熱的潛力。此外，據(jù)報道目前我國僅6家頭部生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的赤蘚糖醇總產(chǎn)能就達(dá)到44.5萬噸/年，而預(yù)估到2025年其年市場需求量不足30萬噸。該研究充分挖掘了赤蘚糖醇作為一種高性能中低溫區(qū)相變儲熱材料的應(yīng)用潛力，有望為面臨產(chǎn)能過剩的赤蘚糖醇在代糖功能之外開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

研究團(tuán)隊(duì)

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浙江大學(xué)相變與微尺度傳熱課題組圍繞節(jié)能降碳國家重大需求，長期從事能源轉(zhuǎn)化、利用與存儲過程中的復(fù)雜多尺度相變傳熱傳質(zhì)與流動現(xiàn)象研究，重點(diǎn)聚焦微納結(jié)構(gòu)材料及界面在宏觀熱質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)化中的應(yīng)用及其微觀機(jī)理，主要涉及固液相變傳熱、沸騰與凝結(jié)傳熱、微納尺度傳熱以及多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)等方向，具體應(yīng)用包括中低溫相變儲熱、高熱流密度熱管理、建筑節(jié)能與室內(nèi)熱濕環(huán)境調(diào)控、有機(jī)污染土壤熱修復(fù)以及太陽能熱利用等領(lǐng)域。

通訊作者 范利武：浙江大學(xué)能源工程學(xué)院研究員、長聘副教授，入選國家級青年人才計(jì)劃，擔(dān)任浙江大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院副院長、能源工程學(xué)院熱工與動力系統(tǒng)研究所所長。長期從事能源轉(zhuǎn)化、利用與存儲過程中的復(fù)雜多尺度相變傳熱傳質(zhì)與流動現(xiàn)象研究。以第一/通訊作者在Nat. Commun. (2), Cell Rep. Phys. Sci., Adv. Funct. Mater.和Int. J. Heat Mass Transfer等國際期刊上發(fā)表論文110余篇，共被SCI他引逾6100次，8篇曾入選ESI高被引論文、1篇曾入選ESI熱點(diǎn)論文，H-Index為40。獲得中國工程熱物理學(xué)會第14屆吳仲華優(yōu)秀青年學(xué)者獎，并入選2023愛思唯爾中國高被引學(xué)者。

聯(lián)系方式：liwufan@zju.edu.cn

第一作者 楊生：浙江大學(xué)能源工程學(xué)院2024級博士畢業(yè)生，主要從事中溫糖醇相變儲熱材料的熱穩(wěn)定性、循環(huán)穩(wěn)定性與結(jié)晶性能強(qiáng)化研究。以第一作者在Nat. Commun., Energy, Sol. Energy Mater. Sol. Cells和J. Energy Storage等國際期刊上發(fā)表論文4篇。

聯(lián)系方式：shengyang@zju.edu.cn

論文信息

發(fā)布期刊 Nature Communications

發(fā)布時間 2024年6月11日

文章標(biāo)題 Supercooled erythritol for high-performance seasonal thermal energy storage

（https://doi.org/10.1038/s41467-024-49333-7）

研究團(tuán)隊(duì) | 作者

酥魚 | 編輯

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