来自太阳的光能和周围环境中的热能是自然界馈赠给人类的两种取之不尽用之不竭的能量。随着全球能源危机和环境问题的加重，这两种能量的有效利用受到了极大的重视。为了有效地转化/存储太阳能，人们基于光物理或光化学的原理开发了多种技术，如太阳能集热器、太阳能电池和太阳能燃料等。同时，为了吸收并利用环境热能，人们基于热物理或热化学的原理也发展了多种技术，如相变储热、热电和热泵等。
如果一个能量系统可以同时存储两种或多种能量，则其能量密度会大大提升，而且这种复合的能量系统可能会通过不同种能量的协同作用超越单一能量系统的性能。然而，能够同时存储太阳能和环境热的能源利用技术还未受到科学界重视。
近日，上海交通大学化学化工学院李涛课题组携手查尔莫斯理工大学Kasper Moth-Poulsen教授、上海交通大学材料科学与工程学院陶鹏研究员在分子光热技术上取得了重要进展，报道了利用光化学相变可以实现太阳光和环境热的同步存储与转化，并首次发现了光能驱动热能的品位提升。
该团队开发了能够在室温下发生光化学固液相变（即trans晶体?cis液体转化）的小分子偶氮储能材料。在trans晶体→cis液体转化过程中，分子可以通过光异构反应和相变同时吸收大量的光能和室温热能，再通过触发cis液体→trans晶体的转变，所存储的能量将释放为较高温度的热能。也就是说，通过这种可逆的光化学相变循环，分子材料可以吸收、存储“免费的”的太阳能和环境热，并在所需的时候产出具有利用价值的高温热能，可简单描述为：光+低温热→高温热。
图1.光热同步存储与转化的示意图与分子设计。
图2.双向光化学相变的照片展示。
这类偶氮小分子的能量密度达到了0.3-0.4MJ/kg，在室温环境下能量可以被长期地存储起来（月级别）。该团队还进一步展示了柔性的薄膜储能器件，它的功率密度可达2.7kW/kg，所释放出的热量比室温高20℃以上，并在多次的储能/放热循环中性能保持稳定。
图3.分子材料及其薄膜器件的能量存储与释放性能。
能量存储与转化过程的热力学分析表明：基于光化学相变的光热储能不是简单的光异构储能与相变热储能的结合，在能量捕获与释放的过程中光能和热能这两股能量互相配合，共同促进，无论是科学内涵的丰富性还是材料所能达到的性能都超越了单纯的光储能与热储能。特别地，由于光能的参与，所储存的室温热能可以释放为高温热能，这实际上表明了光能可以驱动热能的品位提升，从而开辟了利用可再生能源来升级热能的先河。
图4.能量存储与转化过程的热力学分析。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，上海交通大学博士后张召阳是该论文的第一作者，李涛特别研究员与Kasper Moth-Poulsen教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划(2017YFA0207500)和国家自然科学基金(51673114,51973111)等的资助。
