日前美國(guó)研究人員開發(fā)出一種新材料，能夠按需儲(chǔ)存和釋放熱能。以這種材料制成的儲(chǔ)熱設(shè)備不但能量存儲(chǔ)密度大，還具有成本低、運(yùn)輸方便、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，有望開創(chuàng)一種捕獲和存儲(chǔ)太陽能的全新方式。相關(guān)論文發(fā)表在《納米快報(bào)》雜志上。

自20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家們就在尋找一種能以化學(xué)形式儲(chǔ)存太陽能而非將其轉(zhuǎn)化為電能的材料。但相關(guān)研究直到近年才取得了一些進(jìn)展：2010年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的杰弗里·格羅斯曼揭示了二釕富瓦烯的獨(dú)特性質(zhì)，并提出了液態(tài)儲(chǔ)熱材料設(shè)想。

二釕富瓦烯分子在被陽光照射時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變并將能量存儲(chǔ)起來，形成一種亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要時(shí)，這些熱量又能在特定催化劑的作用下被釋放出來，同時(shí)其分子也會(huì)恢復(fù)為放熱前的形態(tài)。這一過程可以不斷重復(fù)。通過這種方法可在甲地存儲(chǔ)熱量，乙地釋放熱量；也可以用產(chǎn)生的熱量驅(qū)動(dòng)蒸汽發(fā)電機(jī)發(fā)電。

但這種材料的缺點(diǎn)在于，所含的釕元素稀有且昂貴，且由其制成的儲(chǔ)熱設(shè)備在能量密度上還不及傳統(tǒng)鋰離子電池。這使這項(xiàng)技術(shù)一直無法獲得大規(guī)模應(yīng)用。

日前，格羅斯曼和他的同事艾拉克斯-庫帕克借助碳納米管對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了完善，制造出了一種可取代二釕富瓦烯的新材料。這種材料由偶氮苯和碳納米管組成，除了具備二釕富瓦烯的優(yōu)點(diǎn)外，還有價(jià)格低廉、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在能量密度上更是超過了鋰離子電池。

研究人員將偶氮苯分子“捆綁”在碳納米管上，形成一種碳納米管化合物，實(shí)驗(yàn)顯示該材料的能量差（基能態(tài)到高能態(tài)之間的差值）和活化能（分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量）都較為理想。實(shí)驗(yàn)顯示，新材料在能量密度上可達(dá)690瓦小時(shí)/升，超過了傳統(tǒng)鋰離子電池（200—600瓦小時(shí)/升），相對(duì)于僅采用偶氮苯的能量密度（90瓦小時(shí)/升），也獲得了極大的提升。

格羅斯曼說：“這種材料非常有效，便宜卻仍具有較高的能量密度，其優(yōu)勢(shì)在于將能量捕獲和存儲(chǔ)集成到了一個(gè)步驟當(dāng)中，用一種材料就能同時(shí)完成轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)兩項(xiàng)任務(wù)。其缺點(diǎn)是只能提供熱能而非電能，但這可以通過熱電裝置或蒸汽發(fā)電機(jī)來彌補(bǔ)。”

北卡羅來納大學(xué)化學(xué)系助理教授金井洋介說，通過化學(xué)鍵來實(shí)現(xiàn)太陽能可逆存儲(chǔ)近年來廣受關(guān)注。新研究的創(chuàng)新之處在于，它創(chuàng)建了可以用碳納米管來制造這種材料的納米模板，這為今后采用其他材料進(jìn)行類似的研究鋪平了道路。