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圖1 發表信息

低品位熱能（<100℃）廣泛存在于自然環境和工業生產過程中，包括環境熱（太陽光熱、地熱）、工業廢熱以及人體熱等，但由于缺乏經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。據預測，熱化學電池的相對卡諾循環效率若達到5%以上即有望實現商業化應用，但至今仍無法跨過這一門檻（此前最高相對卡諾循環效率為~3.95%）。水系熱化學電池相對卡諾循環效率與塞貝克系數、熱導率以及電導率三個參數緊密關聯。例如，增大塞貝克系數、提高電導率或降低熱導率均可提升電池轉化效率。然而，這三個參數之間強耦合，難以實現協同優化，使得熱化學電池效率的提升存在巨大挑戰。在前期研究工作中，周軍教授團隊以K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆水系熱化學電池基準體系作為研究對象，通過特異性配體協同調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4.2 mV K^-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離子濃度梯度的科學思想（圖2A），實現了塞貝克系數和有效熱導率的協同優化，獲得了目前熱化學電池領域最高相對卡諾循環效率11.1%（圖2B）。

圖2 低成本、高效熱化學電池（A）熱敏性結晶材料誘導可持續溶度梯度示意圖；（B）本工作與文獻報道相對卡諾循環效率比較圖；（C）器件模組為智能手機充電，左上插圖為器件模組的光學照片。

通常，在封閉體系下離子濃度梯度為不可持續的熱力學非平衡態，必然會通過自發擴散過度到離子均勻分布的熱力學平衡態。該團隊發現，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，展現出優異的溶解度溫敏性。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，相應塞貝克系數從基準體系的1.4 mV K^-1提升至3.73 mV K^-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。基于以上兩點原因，實現了熱化學電池相對卡諾循環效率的大幅度提升。進一步地，該團隊還開發出熱化學電池模組原型，在50℃溫差條件下驅動了多種商業化電子器件，并實現為智能手機充電（圖2C），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（51672097）、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