基于赤藓糖醇的相变材料：用于极端环境热应用的过冷增强与自适应热触发释放功能

《Journal of Energy Storage》：Erythritol-based phase change materials: Supercooling enhancement and adaptive heat-triggered release for extreme environmental thermal applications

相变材料在低温热存储中存在稳定性差和可控性不足的问题。本研究通过聚乙烯吡咯烷酮（PVP）与赤藓醇（ery）的动态氢键结合，抑制ery自发结晶并显著提升过冷度。实验证实，30% PVP复合材料的过冷温度达-8.3℃，在0℃低温下可稳定存储热量3个月无放热现象，且在环境温度（>0℃）或人体温度（37℃）时可精准触发放热响应。该氢键调控策略为开发长效智能热存储材料提供了新方法。

　　本研究围绕相变材料（Phase Change Materials, PCMs）在低温环境下的热能储存与释放特性展开，旨在解决传统PCM在热交换效率和长期热稳定性方面的不足。相变材料因其在相变过程中能够吸收或释放大量潜热，被广泛应用于能量储存系统，尤其是在需要精确控制温度变化的场景中。然而，现有的PCM材料在实际应用中面临诸多挑战，尤其是在低温环境中，其自发结晶和热释放的不稳定性严重制约了其在季节性或长时间热能储存中的应用。例如，在低于熔点的环境中，PCM材料容易因自发结晶而提前释放储存的热量，导致能量损耗，这在某些特定的应用中可能产生不可忽视的影响。

本研究聚焦于一种被称为赤藓糖醇（erythritol，简称ery）的有机相变材料。赤藓糖醇因其较高的潜热值（约340 J/g）和适中的相变温度范围而受到关注。然而，纯赤藓糖醇在低温下表现出强烈的自发成核倾向，这种特性不仅限制了其在低温环境中的热储存稳定性，还影响了其作为高效能量储存介质的潜力。因此，如何在保持赤藓糖醇优良潜热特性的同时，有效抑制其自发结晶行为，成为当前研究的重点。

为了克服这一问题，研究团队提出了一种创新的策略，即通过聚合物调控实现“氢键介导的超冷却增强与热触发释放”。这一策略的核心在于利用聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，简称PVP）中的羰基（C=O）基团与赤藓糖醇中的羟基（-OH）基团之间的动态氢键相互作用。氢键作为一种分子间作用力，具有较强的结合力和可逆性，能够有效抑制赤藓糖醇在低温下的结晶过程，同时在特定温度条件下实现可控的热释放。这种方法不仅提高了赤藓糖醇的超冷却能力，还增强了其在低温环境下的热储存稳定性。

通过实验验证，研究团队发现赤藓糖醇-PVP复合材料在0°C的低温环境下表现出显著的长期热稳定性。在为期三个月的热储存实验中，未观察到任何热释放现象，表明该复合材料能够有效抑制赤藓糖醇的自发结晶。此外，研究还发现，当环境温度高于0°C或受到人体温度的影响时，赤藓糖醇-PVP复合材料能够实现适应性的冷结晶过程，从而实现热释放的可控性。这一发现为开发具有长期储存能力和按需释放特性的新型智能热能储存材料提供了理论依据和技术路径。

在实验设计方面，研究团队采用了一种溶液混合与溶剂蒸发的方法来制备赤藓糖醇-PVP复合材料。这种方法能够有效提高赤藓糖醇在PVP基质中的分散性，从而增强其与PVP之间的氢键相互作用。通过扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的微观结构进行表征，研究团队发现纯赤藓糖醇在熔融状态下呈现出较大的晶体颗粒，平均尺寸可达500微米。而加入PVP后，赤藓糖醇的晶体形态发生了显著变化，形成了更细小、分散均匀的结构，这有助于提高其热储存性能。

此外，研究团队还对赤藓糖醇-PVP复合材料的热特性进行了系统分析。通过比较赤藓糖醇-PVP和赤藓糖醇-赤藓糖醇之间的氢键相互作用，他们确认了氢键在增强超冷却能力中的关键作用。同时，研究还验证了该复合材料在常温及人体温度条件下的热释放可行性，表明其具备良好的适应性和可控性。这些结果不仅为赤藓糖醇作为相变材料的应用提供了新的思路，也为未来在低温热能储存领域开发具有智能响应特性的材料奠定了基础。

本研究的意义在于，它提供了一种全新的方法来解决传统PCM在低温环境下的热储存稳定性问题。通过引入PVP作为超冷却增强剂，研究团队成功地在不显著降低赤藓糖醇潜热值的前提下，提高了其在低温环境中的热储存能力。同时，该复合材料能够在外界温度变化时实现热释放，为实现按需控制的能量储存与释放提供了可能。这种策略不仅适用于高海拔地区防冻设备，还可能在个人热调节系统、冷链运输、建筑节能等领域发挥重要作用。

值得注意的是，尽管传统方法如微胶囊化和纳米封装能够一定程度上抑制赤藓糖醇的成核行为，但这些方法往往伴随着能量储存密度的下降、成本的增加以及壳材对热传导性能的不利影响。相比之下，本研究提出的氢键介导策略在提升热储存稳定性的同时，未对赤藓糖醇的潜热特性造成显著影响，且无需额外的设备支持，具有更高的实用性和经济性。因此，该方法为未来开发高效、环保且具有智能响应特性的热能储存材料提供了新的方向。

综上所述，本研究通过引入PVP与赤藓糖醇之间的氢键相互作用，成功地提高了赤藓糖醇在低温环境下的热储存性能，并实现了其热释放的可控性。这一成果不仅为解决传统PCM在低温热能储存中的不足提供了有效的解决方案，也为推动新型智能热能储存材料的研发和应用奠定了坚实的基础。未来的研究可以进一步探索不同比例的PVP对赤藓糖醇热储存性能的影响，以及该复合材料在不同应用场景下的性能表现，从而拓展其在实际工程中的应用范围。