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：化學與化工學院武欽佩

編輯：隆哲源審核：王振華閱讀次數(shù)：

近期，北京理工大學化學與化工學院武欽佩教授團隊在儲能科學技術領域取得階段成果。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)。北京理工大學化學與化工學院研究生李夢甜和李亞婷為共同第一作者，北京理工大學是唯一作者單位。

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)廢熱和余熱的浪費不但是能源浪費，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)性導致其至今無法充分利用。儲能技術不但可以回收和再用工業(yè)廢熱和余熱，而且為太陽能的擴大和高效利用提供技術條件。化學儲熱技術利用可逆熱化學反應儲存和釋放熱能，能夠長期儲熱，克服顯熱儲熱（熔鹽儲熱）的技術瓶頸——儲熱過程的熱能損耗大和儲能密度低。因此，化學儲熱技術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)《儲能技術專業(yè)學科發(fā)展行動計劃（2020—2024年）》；提出擬在5年左右增設若干儲能技術本科專業(yè)、二級學科和交叉學科，推動若干儲能技術學院（含研究院）的建設，建設一批儲能技術產(chǎn)教融合的創(chuàng)新平臺，推動儲能技術關鍵環(huán)節(jié)的研究達到國際領先水平，形成一批重點技術規(guī)范和標準，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復合材料在270℃下的等溫動力學曲線；(b) 純Mg(OH)₂和MgCeLi-x-y復合材料在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用前景的中高溫(200–500℃)化學儲熱材料，通過脫水和水合反應分別完成儲放熱。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實驗（TG）結果表明含有質(zhì)量分數(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)的關系

圖2是儲放熱循環(huán)性能實驗結果，連續(xù)儲放熱循環(huán)20次后，儲熱效率還可以達到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，可以開展相關儲放熱設備及其工藝的研發(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，研究了材料的組成和微觀結構，初步揭示了強化儲熱過程的催化機理和添加物對材料結構的影響(圖3和4)。根據(jù)脫水動力學實驗數(shù)據(jù)，作者推演了可能的動力學機理函數(shù)和動力學方程（式1和2）；動力學方程可以支持后續(xù)的數(shù)值模擬和儲能設備的設計。脫水反應活化能的測試和計算結果表明活化能（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構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復合材料的脫水反應活化能示意圖

經(jīng)過5年多對氫氧化物化學儲熱技術的研究，課題組不但研發(fā)了性能優(yōu)異的儲熱材料（已申報相關技術專利）；而且，確立了相關的儲放熱性能評價參數(shù)，構建了有效的測試方法。

附個人簡介:

武欽佩，北京理工大學化學與化工學院教授，英國倫敦國王學院博士。研究方向主要包括能量存儲和生物活性分子合成，在儲能領域主要研究氫氧化鎂和氫氧化鈣儲放熱速率的增強、材料的穩(wěn)定性能、儲放熱工藝和儲放熱設備的設計，在生物活性分子領域主要研究雜環(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年于武漢科技大學化學與化工學院獲學士學位，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，同年9月加入武欽佩教授課題組開展跨季儲熱技術研究，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計院有限責任公司。

北理工在高效跨季儲能材料研究方面取得新突破

最新新聞