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中科院研发出新型时空相变材料，能将太阳光能转化为化学能进行长期存储

文章来源：中国科学报更新时间：2024-03-15 16:19:56

太阳能是地球上最丰富的可再生清洁能源，但其广泛应用受到间歇性、天气、地域等因素的限制。

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员史全团队基于化学热力学原理与实验指导，在前期时空相变材料研究基础上，通过调控相变热力学行为与引入光热转化单元，开发了一种具有热能长期储存与可控释放且兼具光热转化功能的赤藓糖醇基时空相变材料，可作为一种新型的太阳能光热燃料。相关成果发表在《德国应用化学》上。

相变材料的基本概念

相变材料（Phase Change Material,PCM）是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。材料由固态向液态或液态向固态转变时发生热能转变，称为相变。传统固态或液态蓄热材料随着吸热而温度上升，但相变材料吸收热量和释放热量时温度保持恒定。相变材料按化学成分可分为无机相变材料及有机相变材料。

无机类相变材料具有较高的熔解热、固定的熔点、导热系数高、相变时体积变化小等优点，主要用于中低温相变材料。但一般盐型的无机类相变材料循环使用时易发生“过冷”和“相分离”现象。有机类相变材料不易发生“过冷”及“相分离”现象，具有腐蚀性较小、性能稳定、固体成型较好、价格便宜等优点，但存在着导热系数低、材料密度小、易挥发、损耗大、单位体积储热能力差、价格较高、存在可燃性等缺陷，从而会降低储热系统效能及限制其应用。为弥补无机或有机类相变材料单独使用的缺点，达到最佳的应用效果，可制成有机／无机复合相变材料进行使用。

时空相变材料概念

去年，中国科学院大连化学物理研究所研究员史全团队基于热能长期存储与可控释放的理念，提出了时空相变材料的概念，为研究具有时空应用特性的新型相变储能材料及开发新一代热能存储与利用技术提供了新方向。相关成果发表在《能源化学》上

相变储能材料发生相变时能够吸收或释放大量潜热并保持体系温度恒定，在热能存储与利用领域展现出广阔的应用前景。传统的相变材料低于相变温度时即自发释放出潜热，难以实现热能长期存储与可控释放，在时间与空间上极大限制了相变储热技术的实际应用。另一方面，为了保持相变材料储能状态，现有相变储热技术需要耗费额外能量或技术维持体系温度高于相变温区，无法体现出相变储能技术的先进性与时效性。

为了深入研究相变材料储热行为，史全团队自2015年开展有机醇相变材料体系热力学性质研究、新型复合相变材料开发。2018年，团队针对赤藓糖醇难以克服的过冷行为，反其道而行之，通过复合载体增强分子间相互作用而加剧赤藓糖醇过冷度，将相变潜热稳定存储于过冷状态，继而再通过冷结晶过程将潜热释放出，初步提出了时空相变材料的设想。

团队将这类具有潜热长期稳定存储与可控释放特征的相变材料定义为时空相变材料，简称STPCMs。时空相变材料可使相变储热技术真正实现时间与空间上应用的自由，能够作为一种“热池”与电池相媲美，提升储热技术应用的灵活性、便捷性及时效性，为研究与开发新一代热能储存与利用技术提供了新的方向。

新型时空相变材料

可用作太阳能光热燃料

太阳能光热燃料可以将太阳光能转化为化学能进行长期存储，并可在需要时通过特定方式诱导该能量以热能的形式释放，是近年来太阳能热利用技术研究领域的热点。然而，当前对太阳能光热燃料的研究主要集中在具有不同分子构象能量差的分子基材料上，在实际规模化应用中面临着诸多挑战。

在前期研究的基础上，团队开发了一种具有光热转化功能的赤藓糖醇基复合相变材料。实验结果表明，引入光热转化单元后，该复合相变材料展现出优异的光热转化特性，经同一光源相同时长的光照后能达到的最高温度，将从48 °C提升至97 °C，实现了太阳能向热能的转化与存储。此外，该复合相变材料能够在室温条件下稳定存储热能一个月以上，随后可通过简单的热诱导或机械触发的方式释放出储存的潜热。

该复合相变材料制备方法简单、原料廉价易得、储热性能稳定，尤其在可见光波段具备光热转化能力，有望实现材料规模化制备与技术应用。本工作为时空相变材料的应用及太阳能热利用技术的发展提供了新方向。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_543476.html
来源：贤集网
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