北理工在高效跨季儲(chǔ)能材料研究方面取得新突破
發(fā)布日期：2020-12-16 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 武欽佩
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近期,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院武欽佩教授團(tuán)隊(duì)在儲(chǔ)能科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域取得階段成果,。研究成果以“Tremendous enhancement of heat-storage efficiency for Mg(OH)2-MgO-H2O thermochemical system with addition of Ce(NO3)3 and LiOH”為題，12月18日在線發(fā)表于 Nano Energy (https:///doi.org/10.1016/j.nanoen. 2020.105603),。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院研究生李夢(mèng)甜和李亞婷為共同第一作者,，北京理工大學(xué)是唯一作者單位。
化石燃料的使用過(guò)程產(chǎn)生污染物,，造成大氣污染和溫室氣體的排放,。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活離不開(kāi)熱能，而且需求量巨大,。工業(yè)廢熱和余熱的浪費(fèi)不但是能源浪費(fèi),，而且造成更多污染物的排放。太陽(yáng)能是取之不盡的綠色能源,，但是其不穩(wěn)定性和不連續(xù)性導(dǎo)致其至今無(wú)法充分利用,。儲(chǔ)能技術(shù)不但可以回收和再用工業(yè)廢熱和余熱，而且為太陽(yáng)能的擴(kuò)大和高效利用提供技術(shù)條件,?；瘜W(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)利用可逆熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存和釋放熱能，能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)熱,，克服顯熱儲(chǔ)熱（熔鹽儲(chǔ)熱）的技術(shù)瓶頸——儲(chǔ)熱過(guò)程的熱能損耗大和儲(chǔ)能密度低,。因此,，化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)的研究于近年來(lái)興起,。（2020年2月，教育部,、國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局聯(lián)合制定印發(fā)《儲(chǔ)能技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)科發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2020—2024年）》,；提出擬在5年左右增設(shè)若干儲(chǔ)能技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)、二級(jí)學(xué)科和交叉學(xué)科,，推動(dòng)若干儲(chǔ)能技術(shù)學(xué)院（含研究院）的建設(shè),，建設(shè)一批儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)教融合的創(chuàng)新平臺(tái)，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的研究達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,，形成一批重點(diǎn)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),，有效推動(dòng)能源革命和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。）
圖1 (a)純Mg(OH)2和MgCeLi-x-y復(fù)合材料在270℃下的等溫動(dòng)力學(xué)曲線,；(b) 純Mg(OH)2和MgCeLi-x-y復(fù)合材料在270℃下的最大轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化時(shí)間的對(duì)比,。
氫氧化鎂和氫氧化鈣是具有應(yīng)用前景的中高溫(200–500℃)化學(xué)儲(chǔ)熱材料，通過(guò)脫水和水合反應(yīng)分別完成儲(chǔ)放熱,。但是,，儲(chǔ)放熱速率低,，儲(chǔ)放熱循環(huán)性能差，不能實(shí)際應(yīng)用,。為了解決這些問(wèn)題,，經(jīng)過(guò)多年的努力，作者終于發(fā)現(xiàn)Ce(NO3)3和LiOH能夠協(xié)同高效催化氫氧化物脫水,，還提高了儲(chǔ)放熱循環(huán)性能,。比如，氫氧化鎂的等溫動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)（TG）結(jié)果表明含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8% Ce(NO3)3和6% LiOH的材料能夠在14 min內(nèi)完成脫水,，而且轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%,。同樣條件下，純氫氧化鎂在300 min內(nèi)的轉(zhuǎn)化率僅為21%,；新材料的儲(chǔ)熱速率提高了約92倍（圖1a和1b）,。
圖2 純Mg(OH)2和MgCeLi-8-6復(fù)合材料的最大轉(zhuǎn)化率、最大轉(zhuǎn)化時(shí)間和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系
圖2是儲(chǔ)放熱循環(huán)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，連續(xù)儲(chǔ)放熱循環(huán)20次后,，儲(chǔ)熱效率還可以達(dá)到88%，儲(chǔ)熱時(shí)間為60分鐘,。這2個(gè)數(shù)據(jù)表明材料的儲(chǔ)放熱性能穩(wěn)定,，可以開(kāi)展相關(guān)儲(chǔ)放熱設(shè)備及其工藝的研發(fā)。
圖3 MgCeLi-8-6 脫水后高分辨透射電鏡圖
圖4 MgCeLi-8-6 脫水后產(chǎn)物的XPS圖
利用SEM,，HRTEM,，XRD和XPS等分析測(cè)試技術(shù)，研究了材料的組成和微觀結(jié)構(gòu),，初步揭示了強(qiáng)化儲(chǔ)熱過(guò)程的催化機(jī)理和添加物對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響(圖3和4),。根據(jù)脫水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作者推演了可能的動(dòng)力學(xué)機(jī)理函數(shù)和動(dòng)力學(xué)方程（式1和2）,；動(dòng)力學(xué)方程可以支持后續(xù)的數(shù)值模擬和儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)計(jì),。脫水反應(yīng)活化能的測(cè)試和計(jì)算結(jié)果表明活化能（E）和Ln A分別降低51%和50%（圖5）；因此,，硝酸鈰和氫氧化鋰通過(guò)降低活化能和對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的影響顯著提升氫氧化鎂的儲(chǔ)放熱性能,。
圖5 純Mg(OH)2和MgCeLi-8-6復(fù)合材料的脫水反應(yīng)活化能示意圖
經(jīng)過(guò)5年多對(duì)氫氧化物化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)的研究，課題組不但研發(fā)了性能優(yōu)異的儲(chǔ)熱材料（已申報(bào)相關(guān)技術(shù)專(zhuān)利）,；而且,，確立了相關(guān)的儲(chǔ)放熱性能評(píng)價(jià)參數(shù)，構(gòu)建了有效的測(cè)試方法,。
附個(gè)人簡(jiǎn)介:
武欽佩,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授，英國(guó)倫敦國(guó)王學(xué)院博士。研究方向主要包括能量存儲(chǔ)和生物活性分子合成,，在儲(chǔ)能領(lǐng)域主要研究氫氧化鎂和氫氧化鈣儲(chǔ)放熱速率的增強(qiáng),、材料的穩(wěn)定性能、儲(chǔ)放熱工藝和儲(chǔ)放熱設(shè)備的設(shè)計(jì),，在生物活性分子領(lǐng)域主要研究雜環(huán)化合物和核苷類(lèi)抗病毒抑制劑的分子設(shè)計(jì)和合成,。迄今發(fā)表SCI論文50余篇，包括Chemical Engineering Journal,、ACS Nano,、Nano Energy、Journal of Energy Storage,、Journal of Medicinal Chemistry,、Medicinal Chemistry、European Journal of Medicinal Chemistry和Advanced Synthesis & Catalysis等期刊,。
李夢(mèng)甜,，2018年于武漢科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，同年9月加入武欽佩教授課題組開(kāi)展高效中溫跨季儲(chǔ)熱材料的研究,。
李亞婷,，2017年畢業(yè)于長(zhǎng)春理工大學(xué)，同年9月加入武欽佩教授課題組開(kāi)展跨季儲(chǔ)熱技術(shù)研究,，以第一作者發(fā)表SCI論文3篇?，F(xiàn)就職于黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司。
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