12月1日，上海交通大学钱小石教授作为唯一通讯作者在在全球顶级科研期刊《Science》上发表了题为“Colossal electrocaloric effect in an interface-augmented ferroelectric polymer”的研究论文。上海交通大学博士生郑珊瑜为本文的第一作者。TOP小编获悉，这是国内高校首次以第一作者单位在《Science》上发表以电卡制冷为主题的研究论文。

值得注意的是，本文为钱小石课题组本年度第二篇以第一作者单位在《Science》上发表论文。

SCIENCE · 30 Nov 2023 · Vol 382, Issue 6674

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巨电卡效应是一种奇特的凝聚态物理现象，利用固体电介质充放电过程中交替极化-退极化产生可逆的电致温变所组成的制冷循环。电卡制冷系统具有电能损耗小，能效高，具有零温室效应潜能和易于小型化、轻量化等特点，为制冷剂的替代和双碳目标的实现提供重要的颠覆性前瞻技术之一。通过降低弛豫体极性畴尺寸策略，可降低两个极性熵态间偶极翻转能垒，从而增加电场诱导的偶极熵变。目前所报道的晶畴尺寸都在100-20纳米，但由于弛豫铁电体复杂的结晶过程，进一步将晶畴尺寸减小到亚纳米尺度极具挑战性。

研究人员在弛豫铁电体中混溶低沸点多元醇DMHD (TPD)，在异质界面上诱导聚合物非极性单元向极性相的构像自组装，极性界面形成后，小分子晶体可通过高温挥发离开聚合物网络，从而不会影响聚合物的其他电学性能，并巧妙的引入了大量小而多的亚纳米空腔和极性界面来提升材料熵变。在20%击穿电场的低电场下，熵变达到100 J/(kg.K) 是普通聚合物的4倍，电卡强度超过1 J/(kg.K.MV)，制冷能力达到5x103 J/kg，并且保持300万次稳定循环运行。

DMHD分子诱导聚合物界面增强效应表现出巨电卡性能

利用纳米红外技术表明纳米孔界面处保留了大量极性构象，且均出现在晶粒的边缘。稠密的亚纳米尺寸的二维极性界面取代了百纳米级别的三维极性纳米畴区，成为电卡效应主要的贡献者。

界面增强极性和非极性构像的IR-PiFM表征

利用光致红外超光谱仪（hyPIR）采集了电卡聚合物1600-780 cm-1光谱范围内的红外吸收化学图像。TPD不仅表现出明显的界面全反式极性构像增强信号，同时形成更多的聚合物构像类型，具有更强的多相共存特性。

界面增强聚合物和普通聚合物的结构分析

原位WAXD研究了电场作用下三维体相晶体结构的动态转变，DMHD诱导基底聚合物产生强烈的相变。DFT和MD模型也直观表明，由于界面氢键相互作用的存在，可降低非极性到极性相变势垒。弹性中子散射结果显示未退火前TPD-un的均方位移最小，表明氢离子被紧密限制在小分子表面附近，通过牺牲DMHD可释放大表面积的极性构像界面的约束，促使TPD产生巨电卡效应。

改性聚合物的介电行为和循环性能

采用Landau-Ginzburg-Devonshire热力学模型，并辅以相场模拟实验测试结果。通过对介电性能分析，极化强度和介电常数的提升证实了界面增强型电卡效应材料的存在。纳米孔极性界面暴露在不受物理约束的自由体积中，不同于永久性复合填料所带来各种不利并发症。

TPD巨电卡效应在室温附近具有良好的温度稳定性，可以覆盖10℃到70℃的有效温度窗口。制冷效率COPmat和普通聚合物相比提高了250%，稳定循环测试高达300万次。这可进一步减小电源的尺寸和重量，为潜在的便携式电卡冷却装置提供动力。

论文研究工作获得多个团队支持，其中准弹性中子散射实验由上海交通大学物理学院洪亮团队完成；机械动力学院陈江平教授，北京理工大学黄厚兵团队和南京大学杨玉荣团队为本研究提供了重要支撑。此外，Molecular Vista和布鲁克（北京）公司也参与了关于纳米红外的研究工作。

个人简介

钱小石，上海交通大学机械与动力工程学院特聘教授、博士生导师。2007年、2010年分别于南京大学材料科学与工程系获得学士、硕士学位；2015年于美国宾州州立大学电子工程系获博士学位。曾任美国高科技初创企业副总裁、首席技术官。2018年7月起受聘于上海交通大学机械与动力工程学院。

主要从事凝聚态相变功能材料与智能机械与能源系统研究，设计了世界首台以高分子为工质的制冷设备，首次提出了极化高熵高分子材料的设计方法及其增强电致熵变的物理机制。全职回国后，已在Nature, Science, Joule(2), Nature Nanotechnology等期刊发表论文。任国家重点研发计划项目课题负责人，主持自然科学基金面上项目，上海市科委“原创探索”项目等。

转自：“TOP大学来了”微信公众号

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