北理工在高效跨季儲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)隊在儲能科學(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)致其至今無法充分利用,。儲能技術(shù)不但可以回收和再用工業(yè)廢熱和余熱,，而且為太陽能的擴(kuò)大和高效利用提供技術(shù)條件?；瘜W(xué)儲熱技術(shù)利用可逆熱化學(xué)反應(yīng)儲存和釋放熱能,，能夠長期儲熱,，克服顯熱儲熱（熔鹽儲熱）的技術(shù)瓶頸——儲熱過程的熱能損耗大和儲能密度低,。因此，化學(xué)儲熱技術(shù)的研究于近年來興起,。（2020年2月,，教育部、國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合制定印發(fā)《儲能技術(shù)專業(yè)學(xué)科發(fā)展行動計劃（2020—2024年）》,；提出擬在5年左右增設(shè)若干儲能技術(shù)本科專業(yè),、二級學(xué)科和交叉學(xué)科，推動若干儲能技術(shù)學(xué)院（含研究院）的建設(shè),，建設(shè)一批儲能技術(shù)產(chǎn)教融合的創(chuàng)新平臺,，推動儲能技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的研究達(dá)到國際領(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)化時間的對比,。
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)儲熱材料,，通過脫水和水合反應(yīng)分別完成儲放熱。但是，儲放熱速率低,，儲放熱循環(huán)性能差,，不能實際應(yīng)用。為了解決這些問題,，經(jīng)過多年的努力,，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，還提高了儲放熱循環(huán)性能,。比如,，氫氧化鎂的等溫動力學(xué)實驗（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)化時間和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系
圖2是儲放熱循環(huán)性能實驗結(jié)果，連續(xù)儲放熱循環(huán)20次后,，儲熱效率還可以達(dá)到88%,，儲熱時間為60分鐘。這2個數(shù)據(jù)表明材料的儲放熱性能穩(wěn)定,，可以開展相關(guān)儲放熱設(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)化儲熱過程的催化機(jī)理和添加物對材料結(jié)構(gòu)的影響(圖3和4),。根據(jù)脫水動力學(xué)實驗數(shù)據(jù),，作者推演了可能的動力學(xué)機(jī)理函數(shù)和動力學(xué)方程（式1和2）；動力學(xué)方程可以支持后續(xù)的數(shù)值模擬和儲能設(shè)備的設(shè)計,。脫水反應(yīng)活化能的測試和計算結(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降低活化能和對材料微觀結(jié)構(gòu)的影響顯著提升氫氧化鎂的儲放熱性能,。
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5年多對氫氧化物化學(xué)儲熱技術(shù)的研究,，課題組不但研發(fā)了性能優(yōu)異的儲熱材料（已申報相關(guān)技術(shù)專利）；而且,，確立了相關(guān)的儲放熱性能評價參數(shù),，構(gòu)建了有效的測試方法。
附個人簡介:
武欽佩,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授,，英國倫敦國王學(xué)院博士,。研究方向主要包括能量存儲和生物活性分子合成，在儲能領(lǐng)域主要研究氫氧化鎂和氫氧化鈣儲放熱速率的增強(qiáng),、材料的穩(wěn)定性能,、儲放熱工藝和儲放熱設(shè)備的設(shè)計，在生物活性分子領(lǐng)域主要研究雜環(huán)化合物和核苷類抗病毒抑制劑的分子設(shè)計和合成,。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展高效中溫跨季儲熱材料的研究。
李亞婷,，2017年畢業(yè)于長春理工大學(xué),，同年9月加入武欽佩教授課題組開展跨季儲熱技術(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)計院有限責(zé)任公司,。
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