美開發(fā)出太陽熱能儲存新材料

日前，美國研究人員開發(fā)出一種能夠按需儲存和釋放熱能的新材料。以這種材料制成的儲熱設(shè)備不但能量存儲密度大，還具有成本低、運輸方便、儲能時間長的特點，有望開創(chuàng)一種捕獲和存儲太陽能的全新方式。相關(guān)論文發(fā)表在《納米快報》雜志上。

自20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家們就在尋找一種能以化學(xué)形式儲存太陽能而非將其轉(zhuǎn)化為電能的材料。但相關(guān)研究直到近年才取得了一些進(jìn)展。2010年，美國麻省理工學(xué)院的杰弗里·格羅斯曼揭示了二釕富瓦烯的獨特性質(zhì)，并提出了液態(tài)儲熱材料設(shè)想。

二釕富瓦烯分子在被陽光照射時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變并將能量存儲起來，形成一種亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要時，這些熱量又能在特定催化劑的作用下被釋放出來，同時其分子也會恢復(fù)為放熱前的形態(tài)，這一過程可以不斷重復(fù)。通過這種方法可在甲地存儲熱量，乙地釋放熱量;也可以用產(chǎn)生的熱量驅(qū)動蒸汽發(fā)電機發(fā)電。

但這種材料的缺點在于，所含的釕元素稀有且昂貴，且由其制成的儲熱設(shè)備在能量密度上還不及傳統(tǒng)鋰離子電池。這使這項技術(shù)一直無法獲得大規(guī)模應(yīng)用。

日前，格羅斯曼和他的同事艾拉克斯·庫帕克借助碳納米管對這一技術(shù)進(jìn)行了完善，制造出了一種可取代二釕富瓦烯的新材料。這種材料由偶氮苯和碳納米管組成，除了具備二釕富瓦烯的優(yōu)點外，還有價格低廉、熱穩(wěn)定性好的特點，在能量密度上更是超過了鋰離子電池。

研究人員將偶氮苯分子“捆綁”在碳納米管上，形成一種碳納米管化合物，實驗顯示:該材料的能量差(基能態(tài)到高能態(tài)之間的差值)和活化能(分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量)都較為理想;新材料在能量密度上可達(dá)690 W·h/L，超過了傳統(tǒng)鋰離子電池(200～600 W·h/L)，相對于僅采用偶氮苯的能量密度(90 W·h/L)，也獲得了極大的提升。

格羅斯曼說:“這種材料非常有效，便宜卻仍具有較高的能量密度，其優(yōu)勢在于將能量捕獲和存儲集成到了一個步驟當(dāng)中，用一種材料就能同時完成轉(zhuǎn)化和存儲2項任務(wù)。其缺點是只能提供熱能而非電能，但這可以通過熱電裝置或蒸汽發(fā)電機來彌補?！?/p>

北卡羅來納大學(xué)化學(xué)系助理教授金井洋介說，通過化學(xué)鍵來實現(xiàn)太陽能可逆存儲近年來廣受關(guān)注。新研究的創(chuàng)新之處在于，它創(chuàng)建了可以用碳納米管來制造這種材料的納米模板，這為今后采用其他材料進(jìn)行類似的研究鋪平了道路。

(來源:科技網(wǎng))