中科院研發(fā)出新型時空相變材料，能將太陽光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進行長期存儲
文章來源：中國科學(xué)報 更新時間：2024-03-15 16:19:56
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太陽能是地球上最豐富的可再生清潔能源，但其廣泛應(yīng)用受到間歇性、天氣、地域等因素的限制。 近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員史全團隊基于化學(xué)熱力學(xué)原理與實驗指導(dǎo)，在前期時空相變材料研究基礎(chǔ)上，通過調(diào)控相變熱力學(xué)行為與引入光熱轉(zhuǎn)化單元，開發(fā)了一種具有熱能長期儲存與可控釋放且兼具光熱轉(zhuǎn)化功能的赤蘚糖醇基時空相變材料，可作為一種新型的太陽能光熱燃料。相關(guān)成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。 相變材料的基本概念 相變材料（Phase Change Material,PCM）是指隨溫度變化而改變形態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)。材料由固態(tài)向液態(tài)或液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時發(fā)生熱能轉(zhuǎn)變，稱為相變。傳統(tǒng)固態(tài)或液態(tài)蓄熱材料隨著吸熱而溫度上升，但相變材料吸收熱量和釋放熱量時溫度保持恒定。相變材料按化學(xué)成分可分為無機相變材料及有機相變材料。 無機類相變材料具有較高的熔解熱、固定的熔點、導(dǎo)熱系數(shù)高、相變時體積變化小等優(yōu)點，主要用于中低溫相變材料。但一般鹽型的無機類相變材料循環(huán)使用時易發(fā)生“過冷”和“相分離”現(xiàn)象。有機類相變材料不易發(fā)生“過冷”及“相分離”現(xiàn)象，具有腐蝕性較小、性能穩(wěn)定、固體成型較好、價格便宜等優(yōu)點，但存在著導(dǎo)熱系數(shù)低、材料密度小、易揮發(fā)、損耗大、單位體積儲熱能力差、價格較高、存在可燃性等缺陷，從而會降低儲熱系統(tǒng)效能及限制其應(yīng)用。為彌補無機或有機類相變材料單獨使用的缺點，達到最佳的應(yīng)用效果，可制成有機／無機復(fù)合相變材料進行使用。 時空相變材料概念 去年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員史全團隊基于熱能長期存儲與可控釋放的理念，提出了時空相變材料的概念，為研究具有時空應(yīng)用特性的新型相變儲能材料及開發(fā)新一代熱能存儲與利用技術(shù)提供了新方向。相關(guān)成果發(fā)表在《能源化學(xué)》上 相變儲能材料發(fā)生相變時能夠吸收或釋放大量潛熱并保持體系溫度恒定，在熱能存儲與利用領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的相變材料低于相變溫度時即自發(fā)釋放出潛熱，難以實現(xiàn)熱能長期存儲與可控釋放，在時間與空間上極大限制了相變儲熱技術(shù)的實際應(yīng)用。另一方面，為了保持相變材料儲能狀態(tài)，現(xiàn)有相變儲熱技術(shù)需要耗費額外能量或技術(shù)維持體系溫度高于相變溫區(qū)，無法體現(xiàn)出相變儲能技術(shù)的先進性與時效性。 為了深入研究相變材料儲熱行為，史全團隊自2015年開展有機醇相變材料體系熱力學(xué)性質(zhì)研究、新型復(fù)合相變材料開發(fā)。2018年，團隊針對赤蘚糖醇難以克服的過冷行為，反其道而行之，通過復(fù)合載體增強分子間相互作用而加劇赤蘚糖醇過冷度，將相變潛熱穩(wěn)定存儲于過冷狀態(tài)，繼而再通過冷結(jié)晶過程將潛熱釋放出，初步提出了時空相變材料的設(shè)想。 團隊將這類具有潛熱長期穩(wěn)定存儲與可控釋放特征的相變材料定義為時空相變材料，簡稱STPCMs。時空相變材料可使相變儲熱技術(shù)真正實現(xiàn)時間與空間上應(yīng)用的自由，能夠作為一種“熱池”與電池相媲美，提升儲熱技術(shù)應(yīng)用的靈活性、便捷性及時效性，為研究與開發(fā)新一代熱能儲存與利用技術(shù)提供了新的方向。 新型時空相變材料 可用作太陽能光熱燃料 太陽能光熱燃料可以將太陽光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進行長期存儲，并可在需要時通過特定方式誘導(dǎo)該能量以熱能的形式釋放，是近年來太陽能熱利用技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點。然而，當(dāng)前對太陽能光熱燃料的研究主要集中在具有不同分子構(gòu)象能量差的分子基材料上，在實際規(guī)模化應(yīng)用中面臨著諸多挑戰(zhàn)。 在前期研究的基礎(chǔ)上，團隊開發(fā)了一種具有光熱轉(zhuǎn)化功能的赤蘚糖醇基復(fù)合相變材料。實驗結(jié)果表明，引入光熱轉(zhuǎn)化單元后，該復(fù)合相變材料展現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化特性，經(jīng)同一光源相同時長的光照后能達到的最高溫度，將從48 °C提升至97 °C，實現(xiàn)了太陽能向熱能的轉(zhuǎn)化與存儲。此外，該復(fù)合相變材料能夠在室溫條件下穩(wěn)定存儲熱能一個月以上，隨后可通過簡單的熱誘導(dǎo)或機械觸發(fā)的方式釋放出儲存的潛熱。 該復(fù)合相變材料制備方法簡單、原料廉價易得、儲熱性能穩(wěn)定，尤其在可見光波段具備光熱轉(zhuǎn)化能力，有望實現(xiàn)材料規(guī)模化制備與技術(shù)應(yīng)用。本工作為時空相變材料的應(yīng)用及太陽能熱利用技術(shù)的發(fā)展提供了新方向。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_543476.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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