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中科院研發出新型時空相變材料，能將太陽光能轉化為化學能進行長期存儲

文章來源：中國科學報更新時間：2024-03-15 16:19:56

太陽能是地球上最豐富的可再生清潔能源，但其廣泛應用受到間歇性、天氣、地域等因素的限制。

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員史全團隊基于化學熱力學原理與實驗指導，在前期時空相變材料研究基礎上，通過調控相變熱力學行為與引入光熱轉化單元，開發了一種具有熱能長期儲存與可控釋放且兼具光熱轉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。相關成果發表在《德國應用化學》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并能提供潛熱的物質。材料由固態向液態或液態向固態轉變時發生熱能轉變，稱為相變。傳統固態或液態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、導熱系數高、相變時體積變化小等優點，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使用時易發生“過冷”和“相分離”現象。有機類相變材料不易發生“過冷”及“相分離”現象，具有腐蝕性較小、性能穩定、固體成型較好、價格便宜等優點，但存在著導熱系數低、材料密度小、易揮發、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效能及限制其應用。為彌補無機或有機類相變材料單獨使用的缺點，達到最佳的應用效果，可制成有機／無機復合相變材料進行使用。

時空相變材料概念

去年，中國科學院大連化學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，為研究具有時空應用特性的新型相變儲能材料及開發新一代熱能存儲與利用技術提供了新方向。相關成果發表在《能源化學》上

相變儲能材料發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域展現出廣闊的應用前景。傳統的相變材料低于相變溫度時即自發釋放出潛熱，難以實現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的實際應用。另一方面，為了保持相變材料儲能狀態，現有相變儲熱技術需要耗費額外能量或技術維持體系溫度高于相變溫區，無法體現出相變儲能技術的先進性與時效性。

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性質研究、新型復合相變材料開發。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，將相變潛熱穩定存儲于過冷狀態，繼而再通過冷結晶過程將潛熱釋放出，初步提出了時空相變材料的設想。

團隊將這類具有潛熱長期穩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真正實現時間與空間上應用的自由，能夠作為一種“熱池”與電池相媲美，提升儲熱技術應用的靈活性、便捷性及時效性，為研究與開發新一代熱能儲存與利用技術提供了新的方向。

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化為化學能進行長期存儲，并可在需要時通過特定方式誘導該能量以熱能的形式釋放，是近年來太陽能熱利用技術研究領域的熱點。然而，當前對太陽能光熱燃料的研究主要集中在具有不同分子構象能量差的分子基材料上，在實際規模化應用中面臨著諸多挑戰。

在前期研究的基礎上，團隊開發了一種具有光熱轉化功能的赤蘚糖醇基復合相變材料。實驗結果表明，引入光熱轉化單元后，該復合相變材料展現出優異的光熱轉化特性，經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，實現了太陽能向熱能的轉化與存儲。此外，該復合相變材料能夠在室溫條件下穩定存儲熱能一個月以上，隨后可通過簡單的熱誘導或機械觸發的方式釋放出儲存的潛熱。

該復合相變材料制備方法簡單、原料廉價易得、儲熱性能穩定，尤其在可見光波段具備光熱轉化能力，有望實現材料規模化制備與技術應用。本工作為時空相變材料的應用及太陽能熱利用技術的發展提供了新方向。

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來源：賢集網
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