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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(chǔ)能技術(shù)不但可以回收和再用工業(yè)廢熱和余熱，而且為太陽能的擴(kuò)大和高效利用提供技術(shù)條件。化學(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(chǔ)能技術(shù)專業(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(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，英國倫敦國王學(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(chǔ)熱技術(shù)研究，以第一作者發(fā)表SCI論文3篇。現(xiàn)就職于黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司。