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糖醇类材料尤其是赤藓糖醇是一种常见的代糖产品，在食品和药品行业中有着广泛的应用。在代糖功能之外，近年来研究者们也在探索赤藓糖醇的新用途。近日，浙江大学能源高效清洁利用全国重点实验室范利武研究员领衔的相变与微尺度传热团队在中低温相变储热领域取得进展，相关研究成果以“用于跨季储热的高性能深过冷赤藓糖醇相变材料（Supercooled erythritol for high-performance seasonal thermal energy storage）”为题，于2024年6月11日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上。
研究简介
在“双碳”目标下，储热技术对于提升可再生能源利用效率，实现工业余热回收和建筑低碳供热具有重要意义。作为储热技术的一种，相变储热技术具有在中低温区储热密度大的优势。对于相变储热技术而言，相变储热材料是其核心组成部分。因具有较高的熔化潜热（~330 J/g），合适的相变温度（~118℃），较低的价格成本（~12元/kg），近年来赤藓糖醇成为备受关注的新型中低温区相变储热材料。另外，由于赤藓糖醇自身较高的过冷度（~60℃），在熔点以下可保持潜热不被释放的过冷状态，也使其具备成为跨季储热相变材料的潜力。
如图1所示，利用过冷特性可构造太阳能跨季长周期储热系统，为寒冷地区建筑实现“夏热冬用”提供技术支撑。与水体、土壤等显热储热方式相比，跨季节相变储热不仅可以降低长周期保温成本，而且能降低选址对于场地位置的依赖性，有望成为一种太阳能低碳跨季供热的灵活性补充方式。
图1 基于相变材料的太阳能跨季储热供热系统示意图
然而，纯赤藓糖醇难以在低温甚至极寒（-30℃）环境下保持稳定过冷状态进而实现稳定的跨季长周期储热。因此，如何提升赤藓糖醇作为相变材料的过冷度是跨季储热应用领域亟待攻克的技术难题。如图2所示，针对如何提升赤藓糖醇的过冷度并用于长周期储热的问题，范利武研究团队提出基于固-液界面能强化的方式，通过添加适量的卡拉胶形成复合相变材料在储热时为潜热加上一把“锁”；然后在放热时通过超声触发结晶的方式，掌握打开这把锁的“钥匙”。值得一提的是，卡拉胶本身也是一种常见的增稠剂，这两种原本广泛用于食品等轻工领域的原料经过简单组合之后具有了奇妙的高性能跨季储热能力。
图2 为赤藓糖醇的潜热上“锁”后“开锁”
研究结果表明，在添加15%质量分数的卡拉胶后，赤藓糖醇的固-液界面能增加45.3%，临界吉布斯成核自由能增加544%，最小晶核半径增加136%（如图3所示）。在等温和非等温冷却条件下，经过界面能提升后的赤藓糖醇均在-100℃的低温环境中表现出了超稳定的过冷行为。同时，研究团队通过简单的超声方式在-30℃环境下实现了结晶过程的可控触发，为强化过冷后的赤藓糖醇相变潜热按需释放提供了有效方法。
图3 通过固-液界面能强化提高过冷行为实现长周期储热: a -100℃下的非等温冷却性能”；b -140℃下的等温冷却性能；c -30℃下的长周期储热；d 固-液界面能的提升效果; e 可控触发结晶释热
总结与展望
该研究通过固-液界面能调控，将赤藓糖醇的过冷度极大幅度地提高，使其具有在太阳能跨季利用时的高性能长周期储热能力。另外，该研究获得的深过冷赤藓糖醇也具有在空间、极地、高原等极端低温环境下实现跨较长周期、跨较大温差储热的潜力。此外，据报道目前我国仅6家头部生产企业生产的赤藓糖醇总产能就达到44.5万吨/年，而预估到2025年其年市场需求量不足30万吨。该研究充分挖掘了赤藓糖醇作为一种高性能中低温区相变储热材料的应用潜力，有望为面临产能过剩的赤藓糖醇在代糖功能之外开辟新的应用领域。
研究团队 | 作者
酥鱼 | 编辑
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