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經過十多年的電熱(EC)效應研究，EC材料和EC多層芯片，已經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溫度變化是通過應用高電場(接近其介電擊穿強度)產生的，導致EC性能迅速退化和疲勞。

在此，來自北京理工大學的黃厚兵和上海交通大學的錢小石(一作兼通訊)&黃興溢&洪亮等研究者報道了一類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，在相同場強下，與最先進的EC聚合物相比，提高了275%。相關論文以題為“High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields”于2021年12月22日發表在Nature上。

基于蒸汽壓縮循環的傳統冷卻技術中使用的制冷劑氣體，是全球變暖的主要原因之一，而冷卻是一項能源密集型活動，消耗了約占世界上20%以上的電力。基于熱效應的固態冷卻技術，由于其零溫室氣體排放和較高的運行效率，是蒸氣壓縮循環的一個有吸引力的替代方案。通過施加電場(EC)、磁場(磁熱)或機械應力(彈性熱效應、壓熱效應和扭熱效應)，熱傳導材料產生可逆的溫度和熵變化。各種幾何形狀(線性、旋轉和級聯)、使用不同傳熱策略(固體流體和固體固體)、電荷回收和主動再生的EC熱泵已被廣泛報道，許多方法，包括復合材料和共混材料，已被充分研究以提高工作材料的EC性能。

盡管人們已經報道了，包括陶瓷多層芯片(MLCs)顯示直接測量ΔT > 5.5 K (29 MV m^-1下)，和顯示ΔS = 76 J kg^-1 K^-1(在150 MV m^-1下對應ΔT?≈?15 K)的聚合物厚膜。然而，由于高場致疲勞，高EC效應不一定能轉化為實際的EC熱泵。這意味著，報告的EC器件的工作，遠低于其工作體的最大ΔT：陶瓷和聚合物MLCs的2.2 K。

為了在低電場下產生較大的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，因為在已知的EC材料中，在磁場>250 MV m^?1下，該聚合物產生的熵變最大，ΔS > 200 J kg^?1 K^?1。在室溫下，作為分子缺陷的龐大的CFE基團，使P(VDF₆₅-TrFE₃₅) mol%的龐大且高度相關的極性域不穩定，并顯著增強了ECE。

在此，研究者設定的目標是降低CFE的濃度，并留下少量的雙鍵(DBs)作為額外的調制因子，以增強聚合物的極性熵(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，在相同場強下，與最先進的EC聚合物相比，提高了275%。研究者發現，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轉化成共價雙鍵，可以顯著增加極性實體的數量，并增強聚合物的極性-非極性界面面積。聚合物中的極性相采用一種松散相關的高熵態，具有較低的電場誘導開關的能壘。這種聚合物，在實際EC冷卻應用所需的低電場條件下，可以保持超過100萬次循環的性能，這表明這種策略可能會產生適合用于熱量熱泵的材料。

圖1. 熵增強聚合物在低場強下表現出巨大的ECEs

圖2. 改性EC聚合物及其基三元共聚物的結構性質

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聚合物及其對器件性能的影響

據悉，這是上海交通大學繼2021年10月06日之后，又一篇Nature正刊：

作者簡介

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

同時，錢小石教授擔任以下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余個學術期刊。

黃興溢，教授，2018-至今：上海交通大學電氣材料與絕緣研究中心，教授；2013-2017：上海交通大學電氣材料與絕緣研究中心，副研究員；2009-2012：上海交通大學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，聯合研究員（Adjunt Researcher）；2009-2016：上海市電氣絕緣與熱老化重點實驗室固定研究人員?；2017-至今：上海市電氣絕緣與熱老化重點實驗室常務副主任。

研究方向包括：1）聚合物的電學性質調控；2）高功率密度電能存儲材料與器件及其在電力、艦船、電氣化交通中的應用；3）能量轉化、捕集微系統及其在電力設備檢測與診斷中的應用；4）導熱絕緣材料及其在電力電子熱管理、5G技術中的應用；5）高壓電纜絕緣及半導電屏蔽材料。

主持國家自然科學基金項目、高鐵聯合基金項目、上海市科委項目、國家電網公司項目、重大企業攻關項目等。

黃厚兵，副教授，2013年博士，北京科技大學；2011-2013年聯合培養博士，賓夕法尼亞州立大學。研究方向：相場模擬材料微結構演化，鐵電壓電材料。發表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，美國阿克倫大學高分子科學系 (導師：?Alexei P. Sokolov)；2004-2006，香港中文大學物理系 (導師：郝少康)；2000-2004，中國科學技術大學物理系；2015-至今，?上海交通大學物理天文系&自然科學研究院特別研究員，博導；2010-2014，美國橡樹嶺國家實驗室博士后 (師從Jeremy C. Smith)。

研究方向: 1、蛋白質玻璃化轉變及蛋白質類產品低溫保存技術；2、蛋白質的非平衡態動力學；3、小角散射研究蛋白質以及復雜體系的結構；4、蛋白質表面水分子的分數階運動。

科研成果：洪亮研究員回國前在美國橡樹嶺國家實驗室工作多年。洪亮課題組在高分子，生物大分子及納米材料界面水結構及動力學課題上發表論文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

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/16/8bb11bab43/

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北京理工大學&上海交通大學，合作發Nature！

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