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經(jīng)過十多年的電熱(EC)效應(yīng)研究，EC材料和EC多層芯片，已經(jīng)能夠滿足熱熱泵所需的最低5 K的EC溫度變化。然而，這些EC溫度變化是通過應(yīng)用高電場(chǎng)(接近其介電擊穿強(qiáng)度)產(chǎn)生的，導(dǎo)致EC性能迅速退化和疲勞。

在此，來自北京理工大學(xué)的黃厚兵和上海交通大學(xué)的錢小石(一作兼通訊)&黃興溢&洪亮等研究者報(bào)道了一類EC聚合物，在50 MV m^?1下，EC熵變化為37.5 J kg^?1 K^?1，溫度變化為7.5 K，在相同場(chǎng)強(qiáng)下，與最先進(jìn)的EC聚合物相比，提高了275%。相關(guān)論文以題為“High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields”于2021年12月22日發(fā)表在Nature上。

基于蒸汽壓縮循環(huán)的傳統(tǒng)冷卻技術(shù)中使用的制冷劑氣體，是全球變暖的主要原因之一，而冷卻是一項(xiàng)能源密集型活動(dòng)，消耗了約占世界上20%以上的電力?；跓嵝?yīng)的固態(tài)冷卻技術(shù)，由于其零溫室氣體排放和較高的運(yùn)行效率，是蒸氣壓縮循環(huán)的一個(gè)有吸引力的替代方案。通過施加電場(chǎng)(EC)、磁場(chǎng)(磁熱)或機(jī)械應(yīng)力(彈性熱效應(yīng)、壓熱效應(yīng)和扭熱效應(yīng))，熱傳導(dǎo)材料產(chǎn)生可逆的溫度和熵變化。各種幾何形狀(線性、旋轉(zhuǎn)和級(jí)聯(lián))、使用不同傳熱策略(固體流體和固體固體)、電荷回收和主動(dòng)再生的EC熱泵已被廣泛報(bào)道，許多方法，包括復(fù)合材料和共混材料，已被充分研究以提高工作材料的EC性能。

盡管人們已經(jīng)報(bào)道了，包括陶瓷多層芯片(MLCs)顯示直接測(cè)量ΔT > 5.5 K (29 MV m^-1下)，和顯示ΔS = 76 J kg^-1 K^-1(在150 MV m^-1下對(duì)應(yīng)ΔT?≈?15 K)的聚合物厚膜。然而，由于高場(chǎng)致疲勞，高EC效應(yīng)不一定能轉(zhuǎn)化為實(shí)際的EC熱泵。這意味著，報(bào)告的EC器件的工作，遠(yuǎn)低于其工作體的最大ΔT：陶瓷和聚合物MLCs的2.2 K。

為了在低電場(chǎng)下產(chǎn)生較大的ECE，研究者選擇聚(亞乙烯基fluoride₆₅-trifluoroethylene₃₅-chlorofluoroethylene₇)(P(VDF₆₅-TrFE₃₅-CFE₇))三元共聚物，作為他們的研究，因?yàn)樵谝阎腅C材料中，在磁場(chǎng)>250 MV m^?1下，該聚合物產(chǎn)生的熵變最大，ΔS > 200 J kg^?1 K^?1。在室溫下，作為分子缺陷的龐大的CFE基團(tuán)，使P(VDF₆₅-TrFE₃₅) mol%的龐大且高度相關(guān)的極性域不穩(wěn)定，并顯著增強(qiáng)了ECE。

在此，研究者設(shè)定的目標(biāo)是降低CFE的濃度，并留下少量的雙鍵(DBs)作為額外的調(diào)制因子，以增強(qiáng)聚合物的極性熵(圖1a)。在50 MV m^?1下，EC熵變化為37.5 J kg^?1 K^?1，溫度變化為7.5 K，在相同場(chǎng)強(qiáng)下，與最先進(jìn)的EC聚合物相比，提高了275%。研究者發(fā)現(xiàn)，將聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)三元共聚物中少量的氯氟乙烯基團(tuán)轉(zhuǎn)化成共價(jià)雙鍵，可以顯著增加極性實(shí)體的數(shù)量，并增強(qiáng)聚合物的極性-非極性界面面積。聚合物中的極性相采用一種松散相關(guān)的高熵態(tài)，具有較低的電場(chǎng)誘導(dǎo)開關(guān)的能壘。這種聚合物，在實(shí)際EC冷卻應(yīng)用所需的低電場(chǎng)條件下，可以保持超過100萬次循環(huán)的性能，這表明這種策略可能會(huì)產(chǎn)生適合用于熱量熱泵的材料。

圖1. 熵增強(qiáng)聚合物在低場(chǎng)強(qiáng)下表現(xiàn)出巨大的ECEs

圖2. 改性EC聚合物及其基三元共聚物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

圖3. 改性EC聚合物及其基三元共聚物的介電性能

圖4. 高熵EC聚合物及其對(duì)器件性能的影響

據(jù)悉，這是上海交通大學(xué)繼2021年10月06日之后，又一篇Nature正刊：

作者簡(jiǎn)介

錢小石，2018.7-今上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，副教授；2017.3-2018.6 加州大學(xué)洛杉磯分校，博士后；2016.1-2017.2 Nascent Devices Inc.，副總裁& 首席技術(shù)官；2015.5-2016.1 賓夕法尼亞州立大學(xué)，博士后。研究方向包括：電卡制冷材料與器件設(shè)計(jì)；人工帶隙材料與超構(gòu)材料系統(tǒng)；介電、鐵電材料與器件；磁電傳感與換能器設(shè)計(jì)；柔性電子材料與智能器件。

同時(shí)，錢小石教授擔(dān)任以下SCI期刊審稿人：包括Nature, Science, Joule, Nature Communications, Nano Energy, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy, Applied Materials Today, Applied Physics Letters, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Materials Chemistry C 等30余個(gè)學(xué)術(shù)期刊。

黃興溢，教授，2018-至今：上海交通大學(xué)電氣材料與絕緣研究中心，教授；2013-2017：上海交通大學(xué)電氣材料與絕緣研究中心，副研究員；2009-2012：上海交通大學(xué)電氣材料與絕緣研究中心，助理研究員；2012-2013：日本早稻田大學(xué)，聯(lián)合研究員（Adjunt Researcher）；2009-2016：上海市電氣絕緣與熱老化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固定研究人員?；2017-至今：上海市電氣絕緣與熱老化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任。

研究方向包括：1）聚合物的電學(xué)性質(zhì)調(diào)控；2）高功率密度電能存儲(chǔ)材料與器件及其在電力、艦船、電氣化交通中的應(yīng)用；3）能量轉(zhuǎn)化、捕集微系統(tǒng)及其在電力設(shè)備檢測(cè)與診斷中的應(yīng)用；4）導(dǎo)熱絕緣材料及其在電力電子熱管理、5G技術(shù)中的應(yīng)用；5）高壓電纜絕緣及半導(dǎo)電屏蔽材料。

主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、高鐵聯(lián)合基金項(xiàng)目、上海市科委項(xiàng)目、國(guó)家電網(wǎng)公司項(xiàng)目、重大企業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目等。

黃厚兵，副教授，2013年博士，北京科技大學(xué)；2011-2013年聯(lián)合培養(yǎng)博士，賓夕法尼亞州立大學(xué)。研究方向：相場(chǎng)模擬材料微結(jié)構(gòu)演化，鐵電壓電材料。發(fā)表SCI論文100余篇(第一或通訊作者54篇)，包括Science, Adv. Mater., Sci. Adv., Nat. Common., PRL, Acta Mater等。2019年入選北京市“青年托舉人才”。

洪亮，副教授，2006-2010，美國(guó)阿克倫大學(xué)高分子科學(xué)系 (導(dǎo)師：?Alexei P. Sokolov)；2004-2006，香港中文大學(xué)物理系 (導(dǎo)師：郝少康)；2000-2004，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系；2015-至今，?上海交通大學(xué)物理天文系&自然科學(xué)研究院特別研究員，博導(dǎo)；2010-2014，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士后 (師從Jeremy C. Smith)。

研究方向: 1、蛋白質(zhì)玻璃化轉(zhuǎn)變及蛋白質(zhì)類產(chǎn)品低溫保存技術(shù)；2、蛋白質(zhì)的非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)；3、小角散射研究蛋白質(zhì)以及復(fù)雜體系的結(jié)構(gòu)；4、蛋白質(zhì)表面水分子的分?jǐn)?shù)階運(yùn)動(dòng)。

科研成果：洪亮研究員回國(guó)前在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作多年。洪亮課題組在高分子，生物大分子及納米材料界面水結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)課題上發(fā)表論文30余篇。其中包括13篇高端論文：1篇 Nature physics；8篇 Physical Review Letters；1篇 Science advances；1篇 Nature Communications；1篇 Annual Review of Biophysics以及1篇 JACS。

文獻(xiàn)信息

Qian, X., Han, D., Zheng, L.?et al.?High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields.?Nature?600,?664–669 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04189-5

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04189-5

https://me.sjtu.edu.cn/teacher_directory1/qianxiaoshi.html

https://scce.sjtu.edu.cn/teachers/1668.html

https://ins.sjtu.edu.cn/people/lhong/index.html

https://www.physics.sjtu.edu.cn/hongl

https://arims.bit.edu.cn/xztd/jsml/js/f2ba893760234bdb88948686ae7c6fc3.htm

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/16/8bb11bab43/

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北京理工大學(xué)&上海交通大學(xué)，合作發(fā)Nature！

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