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能量材料密度美开发出能按需储存和释放太阳热能的新材料

据美国《连线》杂志报道,日前美国研究人员开发出一种新材料,能够按需储存和释放热能。以这种材料制成的储热设备不但能量存储密度大,还具有成本低、运输方便、储能时间长的特点,有望开创一种捕获和存储太阳能的全新方式。相关论文发表在《纳米快报》杂志上。

自20世纪70年代以来,科学家们就在寻找一种能以化学形式储存太阳能而非将其转化为电能的材料。但相关研究直到近年才取得了一些进展:2010年,美国麻省理工学院的杰弗里·格罗斯曼揭示了二钌富瓦烯的独特性质,并提出了液态储热材料设想。

二钌富瓦烯分子在被阳光照射时,内部结构会发生改变并将能量存储起来,形成一种亚稳定结构。当需要时,这些热量又能在特定催化剂的作用下被释放出来,同时其分子也会恢复为放热前的形态。这一过程可以不断重复。通过这种方法可在甲地存储热量,乙地释放热量;也可以用产生的热量驱动蒸汽发电机发电。

但这种材料的缺点在于,所含的钌元素稀有且昂贵,且由其制成的储热设备在能量密度上还不及传统锂离子电池。这使这项技术一直无法获得大规模应用。

日前,格罗斯曼和他的同事艾拉克斯·库帕克借助碳纳米管对这一技术进行了完善,制造出了一种可取代二钌富瓦烯的新材料。这种材料由偶氮苯和碳纳米管组成,除了具备二钌富瓦烯的优点外,还有价格低廉、热稳定性好的特点,在能量密度上更是超过了锂离子电池。

研究人员将偶氮苯分子“捆绑”在碳纳米管上,形成一种碳纳米管化合物,实验显示该材料的能量差(基能态到高能态之间的差值)和活化能(分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量)都较为理想。实验显示,新材料在能量密度上可达690瓦小时/升,超过了传统锂离子电池(200—600瓦小时/升),相对于仅采用偶氮苯的能量密度(90瓦小时/升),也获得了极大的提升。

格罗斯曼说:“这种材料非常有效,便宜却仍具有较高的能量密度,其优势在于将能量捕获和存储集成到了一个步骤当中,用一种材料就能同时完成转化和存储两项任务。其缺点是只能提供热能而非电能,但这可以通过热电装置或蒸汽发电机来弥补。”

北卡罗来纳大学化学系助理教授金井洋介说,通过化学键来实现太阳能可逆存储近年来广受关注。新研究的创新之处在于,它创建了可以用碳纳米管来制造这种材料的纳米模板,这为今后采用其他材料进行类似的研究铺平了道路。

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