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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品，在食品和藥品行業中有著廣泛的應用。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，浙江大學能源高效清潔利用全國重點實驗室范利武研究員領銜的相變與微尺度傳熱團隊在中低溫相變儲熱領域取得進展，相關研究成果以“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日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志上。
研究簡介
在“雙碳”目標下，儲熱技術對于提升可再生能源利用效率，實現工業余熱回收和建筑低碳供熱具有重要意義。作為儲熱技術的一種，相變儲熱技術具有在中低溫區儲熱密度大的優勢。對于相變儲熱技術而言，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注的新型中低溫區相變儲熱材料。另外，由于赤蘚糖醇自身較高的過冷度（~60℃），在熔點以下可保持潛熱不被釋放的過冷狀態，也使其具備成為跨季儲熱相變材料的潛力。
如圖1所示，利用過冷特性可構造太陽能跨季長周期儲熱系統，為寒冷地區建筑實現“夏熱冬用”提供技術支撐。與水體、土壤等顯熱儲熱方式相比，跨季節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充方式。
圖1 基于相變材料的太陽能跨季儲熱供熱系統示意圖
然而，純赤蘚糖醇難以在低溫甚至極寒（-30℃）環境下保持穩定過冷狀態進而實現穩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用領域亟待攻克的技術難題。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，范利武研究團隊提出基于固-液界面能強化的方式，通過添加適量的卡拉膠形成復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結晶的方式，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域的原料經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”
研究結果表明，在添加15%質量分數的卡拉膠后，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，經過界面能提升后的赤蘚糖醇均在-100℃的低溫環境中表現出了超穩定的過冷行為。同時，研究團隊通過簡單的超聲方式在-30℃環境下實現了結晶過程的可控觸發，為強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-液界面能強化提高過冷行為實現長周期儲熱: 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 可控觸發結晶釋熱
總結與展望
該研究通過固-液界面能調控，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、高原等極端低溫環境下實現跨較長周期、跨較大溫差儲熱的潛力。此外，據報道目前我國僅6家頭部生產企業生產的赤蘚糖醇總產能就達到44.5萬噸/年，而預估到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相變儲熱材料的應用潛力，有望為面臨產能過剩的赤蘚糖醇在代糖功能之外開辟新的應用領域。
研究團隊 | 作者
酥魚 | 編輯
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