北京理工大学&上海交通大学，合作发Nature！

经过十多年的电热(EC)效应研究，EC材料和EC多层芯片，已经能够满足热热泵所需的最低5 K的EC温度变化。然而，这些EC温度变化是通过应用高电场(接近其介电击穿强度)产生的，导致EC性能迅速退化和疲劳。

在此，来自北京理工大学的黄厚兵和上海交通大学的钱小石(一作兼通讯)&黄兴溢&洪亮等研究者报道了一类EC聚合物，在50 MV m⁻¹下，EC熵变化为37.5 J kg⁻¹ K⁻¹，温度变化为7.5 K，在相同场强下，与最先进的EC聚合物相比，提高了275%。相关论文以题为“High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields”于2021年12月22日发表在Nature上。

基于蒸汽压缩循环的传统冷却技术中使用的制冷剂气体，是全球变暖的主要原因之一，而冷却是一项能源密集型活动，消耗了约占世界上20%以上的电力。基于热效应的固态冷却技术，由于其零温室气体排放和较高的运行效率，是蒸气压缩循环的一个有吸引力的替代方案。通过施加电场(EC)、磁场(磁热)或机械应力(弹性热效应、压热效应和扭热效应)，热传导材料产生可逆的温度和熵变化。各种几何形状(线性、旋转和级联)、使用不同传热策略(固体流体和固体固体)、电荷回收和主动再生的EC热泵已被广泛报道，许多方法，包括复合材料和共混材料，已被充分研究以提高工作材料的EC性能。

尽管人们已经报道了，包括陶瓷多层芯片(MLCs)显示直接测量ΔT > 5.5 K (29 MV m^-1下)，和显示ΔS = 76 J kg^-1 K^-1(在150 MV m^-1下对应ΔT ≈ 15 K)的聚合物厚膜。然而，由于高场致疲劳，高EC效应不一定能转化为实际的EC热泵。这意味着，报告的EC器件的工作，远低于其工作体的最大ΔT：陶瓷和聚合物MLCs的2.2 K。

为了在低电场下产生较大的ECE，研究者选择聚(亚乙烯基fluoride₆₅-trifluoroethylene₃₅-chlorofluoroethylene₇)(P(VDF₆₅-TrFE₃₅-CFE₇))三元共聚物，作为他们的研究，因为在已知的EC材料中，在磁场>250 MV m⁻¹下，该聚合物产生的熵变最大，ΔS > 200 J kg⁻¹ K⁻¹。在室温下，作为分子缺陷的庞大的CFE基团，使P(VDF₆₅-TrFE₃₅) mol%的庞大且高度相关的极性域不稳定，并显著增强了ECE。

在此，研究者设定的目标是降低CFE的浓度，并留下少量的双键(DBs)作为额外的调制因子，以增强聚合物的极性熵(图1a)。在50 MV m⁻¹下，EC熵变化为37.5 J kg⁻¹ K⁻¹，温度变化为7.5 K，在相同场强下，与最先进的EC聚合物相比，提高了275%。研究者发现，将聚(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团转化成共价双键，可以显著增加极性实体的数量，并增强聚合物的极性-非极性界面面积。聚合物中的极性相采用一种松散相关的高熵态，具有较低的电场诱导开关的能垒。这种聚合物，在实际EC冷却应用所需的低电场条件下，可以保持超过100万次循环的性能，这表明这种策略可能会产生适合用于热量热泵的材料。

图1. 熵增强聚合物在低场强下表现出巨大的ECEs

图2. 改性EC聚合物及其基三元共聚物的结构性质

图3. 改性EC聚合物及其基三元共聚物的介电性能

图4. 高熵EC聚合物及其对器件性能的影响

据悉，这是上海交通大学继2021年10月06日之后，又一篇Nature正刊：

作者简介

钱小石，2018.7-今上海交通大学机械与动力工程学院，副教授；2017.3-2018.6 加州大学洛杉矶分校，博士后；2016.1-2017.2 Nascent Devices Inc.，副总裁& 首席技术官；2015.5-2016.1 宾夕法尼亚州立大学，博士后。研究方向包括：电卡制冷材料与器件设计；人工带隙材料与超构材料系统；介电、铁电材料与器件；磁电传感与换能器设计；柔性电子材料与智能器件。

同时，钱小石教授担任以下SCI期刊审稿人：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余个学术期刊。

黄兴溢，教授，2018-至今：上海交通大学电气材料与绝缘研究中心，教授；2013-2017：上海交通大学电气材料与绝缘研究中心，副研究员；2009-2012：上海交通大学电气材料与绝缘研究中心，助理研究员；2012-2013：日本早稻田大学，联合研究员（Adjunt Researcher）；2009-2016：上海市电气绝缘与热老化重点实验室固定研究人员；2017-至今：上海市电气绝缘与热老化重点实验室常务副主任。

研究方向包括：1）聚合物的电学性质调控；2）高功率密度电能存储材料与器件及其在电力、舰船、电气化交通中的应用；3）能量转化、捕集微系统及其在电力设备检测与诊断中的应用；4）导热绝缘材料及其在电力电子热管理、5G技术中的应用；5）高压电缆绝缘及半导电屏蔽材料。

主持国家自然科学基金项目、高铁联合基金项目、上海市科委项目、国家电网公司项目、重大企业攻关项目等。

黄厚兵，副教授，2013年博士，北京科技大学；2011-2013年联合培养博士，宾夕法尼亚州立大学。研究方向：相场模拟材料微结构演化，铁电压电材料。发表SCI论文100余篇(第一或通讯作者54篇)，包括Science, Adv. Mater., Sci. Adv., Nat. Common., PRL, Acta Mater等。2019年入选北京市“青年托举人才”。

洪亮，副教授，2006-2010，美国阿克伦大学高分子科学系 (导师： Alexei P. Sokolov)；2004-2006，香港中文大学物理系 (导师：郝少康)；2000-2004，中国科学技术大学物理系；2015-至今，上海交通大学物理天文系&自然科学研究院特别研究员，博导；2010-2014，美国橡树岭国家实验室博士后 (师从Jeremy C. Smith)。

研究方向: 1、蛋白质玻璃化转变及蛋白质类产品低温保存技术；2、蛋白质的非平衡态动力学；3、小角散射研究蛋白质以及复杂体系的结构；4、蛋白质表面水分子的分数阶运动。

科研成果：洪亮研究员回国前在美国橡树岭国家实验室工作多年。洪亮课题组在高分子，生物大分子及纳米材料界面水结构及动力学课题上发表论文30余篇。其中包括13篇高端论文：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。

文献信息

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

原文链接：

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

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/16/8bb11bab43/

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