在化学品中储存热能可以提高储存和便携性

2019-04-15 09:24:10
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麻省理工学院的研究人员已经确切地揭示了1996年发现的一种名为富瓦烯二钌的分子如何根据需要储存和释放热量。在10月20日发表在Angewandte Chemie期刊上的一篇论文中报道的这种理解应该能够找到基于比钌更丰富,更便宜的材料的类似化学品,这可以形成可充电电池储存热量的基础而不是电力。

当分子吸收太阳光时,它会经历结构转变,使其进入更高能量的状态,在此状态下它可以无限期地保持稳定。然后,通过少量加热或催化剂触发,它会恢复到原来的形状,在此过程中释放热量。但该团队发现这个过程比这复杂一点。

“事实证明,这是一个中间步骤,起着重要作用,”材料科学与工程系的Carl Richard Soderberg动力工程副教授Jeffrey Grossman说。在该中间步骤中,分子在两个先前已知的状态之间的中途形成半稳定构型。“那是出乎意料的,”他说。两步法有助于解释为什么分子如此稳定,为什么这个过程很容易逆转,以及为什么用其他元素取代钌到目前为止还没有起作用。

实际上,格罗斯曼解释说,这个过程可以生产出一种“可充电的热电池”,可以反复存储和释放从阳光或其他来源收集的热量。原则上,格罗斯曼说,由富勒蓉二钌制成的燃料,当储存的热量释放出来时,“可以达到200摄氏度的高温,足够热到足以加热你的家,甚至运行发动机来发电。”

与其他太阳能方法相比,他说,“它具有太阳热能的许多优点,但以燃料的形式存储热量。它是可逆的,并且长期稳定。你可以使用它根据需要你想要的地方。你可以将燃料放在阳光下,充电,然后使用热量,然后将相同的燃料放回太阳下进行充电。

除了格罗斯曼之外,这项工作还由劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Yosuke Kanai,麻省理工学院材料科学与工程系的Varadharajan Srinivasan以及加州大学伯克利分校的Steven Meier和Peter Vollhardt完成。

格罗斯曼说,钌的稀有性和成本问题仍然是“破坏者”,但现在理解分子如何发挥作用的基本机制,应该更容易找到具有相同行为的其他材料。这种分子“是错误的材料,但它表明它可以做到,”他说。

他说,下一步是使用模拟,化学直觉和数千万种已知分子的数据库的组合来寻找具有结构相似性并可能表现出相同行为的其他候选物。格罗斯曼说:“我坚信,正如我们理解是什么使这种材料发挥作用,我们会发现将会有其他相同的材料”。

格罗斯曼计划与Daniel Nocera,Henry Dreyfus能源教授和化学教授合作,解决这些问题,运用从该分析中学到的原理,设计出具有同样可逆过程的新型廉价材料。他说,计算材料设计与实验合成与验证之间的紧密耦合应该进一步加速发现有希望的新候选太阳能热燃料。

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