9月11日，《科學》（Science）以First Release形式刊發(fā)了武漢光電國家研究中心周軍教授團隊最新研究進展“Thermosensitive-crystallization boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting”。該研究工作第一署名單位為華中科技大學武漢光電國家研究中心，博士生余帛陽、段將將副教授為共同第一作者，周軍為通訊作者。此外，論文合作者還包括武漢大學化學與分子科學學院叢恒將副教授、周軍團隊多名研究生（謝文科、柳容、莊欣妍、王卉、齊備）、華中科技大學材料科學與工程學院徐鳴教授和中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士等。
圖為武漢光電國家研究中心周軍教授團隊。
研究提到，低品位熱能（<100℃）廣泛存在于自然環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)過程中，包括環(huán)境熱（太陽光熱、地熱）、工業(yè)廢熱以及人體熱等，但由于缺乏經(jīng)濟高效的能源回收技術，該部分能量基本被廢棄。
水系熱化學電池被認為是一種低成本、易放大的熱電轉換技術。據(jù)預測，熱化學電池的相對卡諾循環(huán)效率若達到5%以上即有望實現(xiàn)商業(yè)化應用，但至今仍無法跨過這一門檻（此前最高相對卡諾循環(huán)效率為~3.95%）。
水系熱化學電池相對卡諾循環(huán)效率與塞貝克系數(shù)、熱導率以及電導率三個參數(shù)緊密關聯(lián)。例如，增大塞貝克系數(shù)、提高電導率或降低熱導率均可提升電池轉化效率。然而，這三個參數(shù)之間強耦合，難以實現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，使得熱化學電池效率的提升存在巨大挑戰(zhàn)。
在前期研究工作中，周軍團隊以K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6水系熱化學電池基準體系作為研究對象，通過特異性配體協(xié)同調(diào)控氧化還原對溶劑化結構，獲得了熱化學電池領域最高塞貝克系數(shù)4.2mVK-1（Nat. Commun.?2018, 9, 5146）。在此工作基礎上，該團隊提出利用熱敏性晶體材料誘導可持續(xù)離子濃度梯度的科學思想（圖a），實現(xiàn)了塞貝克系數(shù)和有效熱導率的協(xié)同優(yōu)化，獲得了目前熱化學電池領域最高相對卡諾循環(huán)效率11.1%（圖b）。
通常，在封閉體系下離子濃度梯度為不可持續(xù)的熱力學非平衡態(tài)，必然會通過自發(fā)擴散過度到離子均勻分布的熱力學平衡態(tài)。團隊發(fā)現(xiàn)，胍離子與亞鐵氰根離子結合會形成一種全新的熱敏性晶體材料——亞鐵氰鉀胍水合物（K2(C(NH2)3)2Fe(CN)6·6H2O）。
該材料具有低的晶格能以及高的溶解熵，展現(xiàn)出優(yōu)異的溶解度溫敏性。由于熱敏性晶體材料的引入，在有溫差存在的情況下，可以在器件的熱冷兩端形成穩(wěn)定的亞鐵氰根離子濃度梯度。例如，在50℃ 溫差條件下，亞鐵氰根離子濃差可達47倍，相應塞貝克系數(shù)從基準體系的1.4 mVK-1提升至3.73mVK-1。此外，由于器件熱端還存在大量未溶解的晶體沉淀物，從而可極大地抑制溶液對流，大幅降低有效熱導率?；谝陨蟽牲c原因，實現(xiàn)了熱化學電池相對卡諾循環(huán)效率的大幅度提升。團隊還進一步開發(fā)出熱化學電池模組原型，在50℃溫差條件下驅動了多種商業(yè)化電子器件，并實現(xiàn)為智能手機充電（圖c），證實水系熱化學電池具有廣闊的應用前景。
該研究工作受到國家自然科學基金、中組部青年拔尖人才支持計劃、華中科技大學學術前沿青年團隊、武漢光電國家研究中心主任基金等經(jīng)費支持。在研究過程中，還得到了復旦大學許寧生院士、中山大學鄧少芝教授、武漢大學鄧鶴翔教授、華中科技大學唐江教授、同濟大學裴艷中教授和美國加州大學洛杉磯分校陳俊助理教授等人的幫助。
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/09/09/science.abd6749?rss=1
