研究表明有前途的材料可以储存太阳能数月或数年
随着我们从化石燃料转向可再生能源以应对气候变化，对捕获和储存能源的新方法的需求变得越来越重要。
兰开斯特大学研究一种晶体材料的研究人员发现，它具有可以从太阳获取能量的特性。能量可以在室温下储存数月，并且可以根据需要以热量的形式释放。
随着进一步的发展，这些材料可以提供令人兴奋的潜力，作为一种在夏季捕获太阳能并在冬季使用的方式——那里的太阳能较少。
这对于离网系统或偏远地区的供暖系统等应用，或作为家庭和办公室传统供暖的环保补充，将证明是无价的。它也可以作为薄涂层生产并应用于建筑物的表面，或用于汽车的挡风玻璃，在那里储存的热量可用于在寒冷的冬天早晨为玻璃除冰。
该材料基于一种“金属有机框架”(MOF)。它们由由碳基分子连接以形成 3-D 结构的金属离子网络组成。MOF 的一个关键特性是它们是多孔的，这意味着它们可以通过在其结构中容纳其他小分子来形成复合材料。
兰开斯特研究小组着手探索一种 MOF 复合材料，该复合材料之前由日本京都大学的一个独立研究小组制备，称为“DMOF1”，是否可以用于储存能量——这是以前没有研究过的。
MOF 孔中装有偶氮苯分子——一种强烈吸收光的化合物。这些分子充当光开关，这是一种“分子机器”，可以在施加外部刺激(例如光或热)时改变形状。
在测试中，研究人员将材料暴露在紫外线下，这会导致偶氮苯分子在 MOF 孔内变形为应变配置。这个过程以类似于弯曲弹簧的势能的方式存储能量。重要的是，狭窄的 MOF 孔将偶氮苯分子捕获在其应变形状中，这意味着势能可以在室温下长时间储存。
当施加外部热量作为“切换”其状态的触发器时，能量再次释放，这种释放可能非常快——有点像弹簧直接弹回。这提供了可用于加热设备的其他材料的热量提升。
进一步的测试表明，这种材料能够将能量储存至少四个月。这是该发现的一个令人兴奋的方面，因为许多光响应材料在几小时或几天内就会恢复原状。长期储存的能量为跨季节储存开辟了可能性。
之前已经研究过在光开关中存储太阳能的概念，但之前的大多数例子都要求光开关处于液体中。由于 MOF 复合材料是固体燃料，而不是液体燃料，因此化学性质稳定且易于容纳。这使得开发涂层或独立设备变得更加容易。
兰开斯特大学材料化学高级讲师兼该研究的联合首席研究员约翰格里芬博士说：“这种材料的功能有点像相变材料，用于在暖手器中提供热量。然而，虽然暖手器需要加热以给它们充电，这种材料的好处是它可以直接从太阳捕获“自由”能量。它也没有移动或电子部件，因此在太阳能的存储和释放过程中没有任何损失能源。我们希望随着进一步的发展，我们将能够制造出储存更多能量的其他材料。”
这些概念验证的发现开辟了新的研究途径，以了解使用受限光开关概念的其他多孔材料可能具有良好的储能特性。
联合研究员 Nathan Halcovitch 博士补充说：“我们的方法意味着有多种方法可以通过改变光开关本身或多孔主体框架来尝试优化这些材料。”
包含光开关分子的晶体材料的其他潜在应用包括数据存储——晶体结构中光开关的明确排列意味着它们原则上可以使用精确的光源一个一个地切换，因此可以像在CD 或 DVD，但在分子水平。它们还具有药物输送的潜力——药物可以使用光开关锁定在材料内，然后使用光或热触发器在体内按需释放。
尽管结果表明这种材料能够长时间储存能量，但其能量密度适中。下一步是研究其他 MOF 结构以及具有更大储能潜力的晶体材料的替代类型。
该研究得到了 Leverhulme Trust 的支持，在论文“基于 MOF 的固-固相变材料中的环境条件下的长期太阳能存储”中进行了概述，该论文已发表在《材料化学》杂志上。
研究人员是兰卡斯特大学化学系的 John Griffin、Kieran Griffiths 和 Nathan Halcovitch。
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新能源
2021-06-11
