利用常见洗涤剂制备的可调谐热相变材料

《Chem》：Tunable thermal phase-change materials from common detergents

相变材料开发及性能调控研究

　　

整体视角

温度调节对现代社会至关重要，从冷链到电子产品，再到建筑舒适度。然而，主动的加热和冷却系统几乎完全依赖于蒸汽压缩系统，而这些系统需要使用强效的温室气体作为制冷剂。为了减少温度调节对环境的影响，固态相变材料（PCMs）提供了一种无排放的替代方案。具有受限烷基双层的层状有机-无机材料是一类特别有前景的PCM，它们会发生有序-无序相变，并伴随着较大的潜热，在受到静水压力作用时表现出显著的温度变化。尽管这些层状材料具有很大的潜力，但它们富含卤素的成分引发了设备腐蚀的担忧，而且其相变行为仍然难以预测，这阻碍了PCM的优化。在这里，我们报道了一类基于常见烷基硫酸盐表面活性剂的无卤素PCM。所得到的金属烷基硫酸盐表现出独特的双层排列方式，从而导致截然不同的相变行为。将这种结构-性能分析扩展到更广泛的层状PCM家族，我们发现转变熵和可逆性等性质与烷基双层的结构排列密切相关。我们进一步证明，这种排列方式直接影响压致冷效应，即这两类金属烷基硫酸盐需要截然不同的压力才能实现热力学上的可逆相变。这些结果为从底层设计基于烷基链的PCM提供了关键见解。

亮点

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使用烷基硫酸盐表面活性剂合成了无卤素相变材料

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可调节的相变行为与结构特征相关

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低驱动压力可实现可逆相变

总结

能够在两种固态之间发生转变且具有较大潜热的相变材料为在不同环境中被动或主动调节温度提供了一个无排放的平台。具有受限碳氢化合物双层的层状材料会发生可逆的固态“链熔化”相变，为热能存储和压致冷提供了一种模块化机制。在这里，我们报道了两种基于易获得的烷基硫酸盐盐类的链熔化相变材料。通过对含有十二烷基硫酸根阴离子的材料架构进行广泛筛选，我们发现了碳氢化合物的排列模式，这些模式表现出受碳氢化合物链长度和排列密度控制的良好相变行为。我们认为，烷基链的受限性以及无机-有机界面相互作用共同决定了相变行为，包括转变熵和可逆性。基于这些设计原则，我们使用四水合双十二烷基硫酸铜(II)展示了在100巴以下的大压致冷效应。通过量热和结构分析获得的见解为设计和优化高性能热相变材料提供了一条途径。

图形摘要