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新型材料可以将太阳能储存数月至数年
加入时间:2020-12-15    来源:科技报告与资讯

  随着我们从化石燃料转向可再生能源转变,对捕获和储存能量的新方法的需求变得越来越重要。兰卡斯特大学的研究人员在研究一种晶体材料时发现,这种材料具有能够从太阳中捕获能量的特性。这些能量可以在室温下储存几个月,并且可以在需要时以热能的形式释放出来。
  
  随着进一步的发展,这类材料可以发挥更大潜力,作为一种在夏季捕获太阳能的方式,并将其储存起来供冬季使用。这对离网系统或偏远地区的供暖系统,或作为传统住宅和办公室供暖的环保补充,将是非常宝贵的应用。它也可以被制成薄薄的涂层,应用于建筑物的表面,或用于汽车的挡风玻璃,在冬季,储存的热量可以用来为玻璃除冰。
  
  这种材料是基于一种 "金属-有机框架"(MOF)。这些框架由碳基分子连接的金属离子网络组成,形成三维结构。MOFs的一个关键属性是它们是多孔的,这意味着它们可以通过在其结构中容纳其他小分子来形成复合材料。
  
  兰卡斯特研究团队开始探索一种MOF复合材料(之前由日本京都大学的一个研究团队制备,被称为 "DMOF1")是否可以用来储存能量,这是之前没有研究过的。
  
  MOF孔隙中装载了偶氮苯分子,一种能强烈吸收光的化合物。这些分子就像光开关一样,是一种 "分子机器",当外部刺激(如光或热)被施加时,它可以改变形状。
  
  在测试中,研究人员将材料暴露在紫外线下,这将使偶氮苯分子在MOF孔隙内改变形状为紧凑的配置。这个过程以类似于弯曲弹簧势能的方式储存能量。重要的是,狭窄的MOF孔隙将偶氮苯分子困在其紧凑的形状中,这意味着势能可以在室温下长期储存。
  
  当施加外部热量作为触发器来 "切换 "其状态时,能量会再次释放,这种释放可以非常快,有点像弹簧直直地折回。这提供了一种热能提升,可以用来加热其他材料的设备。
  
  进一步的测试表明,这种材料能够将能量储存至少四个月。这是该发现的一个令人兴奋的方面,因为许多光反应材料在几小时或几天内就会切换回来。储存能量的持续时间长,为跨季节储存提供了可能性。
  
  将太阳能储存在光开关中的概念之前已经被研究过,但之前的大多数例子都要求光开关处于液体中。由于MOF复合材料是一种固体,而不是液体燃料,因此它的化学性质稳定,而且容易控制。这使得它更容易开发成涂层或独立的设备。
  
  兰卡斯特大学材料化学高级讲师、该研究的联合首席研究员John Griffin博士说。"这种材料的功能有点像相变材料,相变材料被用来为暖手器提供热量。不过,虽然暖手宝需要加热才能充电,但这种材料的好处是它能直接从太阳中捕获 "免费 "的能量。它也没有移动或电子部件,所以在储存和释放太阳能的过程中没有任何损失。我们希望,随着进一步的发展,我们能够制造出其他的材料,这些材料可以储存更多的能量。"
  
  联合研究员Nathan Halcovitch博士补充道:"我们的方法意味着有很多方法可以尝试优化这些材料,要么改变光开关本身,要么改变多孔主机框架。"
  
  含有光开关分子的晶体材料的其他潜在应用包括数据存储,晶体结构中光开关的明确排列意味着它们原则上可以使用精确的光源逐一切换,因此可以像CD或DVD一样存储数据,但是在分子水平上。它们还具有药物输送的潜力,药物可以利用光开关锁定在材料内,然后利用光或热触发器在体内按需释放。
  
  虽然这种材料的长期储能能力非常强大,但其能量密度不高。下一步是研究其他MOF结构以及具有更大储能潜力的其他类型晶体材料。
  
  论文标题为《Long-Term Solar Energy Storage under Ambient Conditions in a MOF-Based Solid–Solid Phase-Change Material》。
(责任编辑:马妍)
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