Small:分子光储热系统的最新研究进展和未来发展方向

开发可再生和可持续能源技术以应对日益增长的全球能源需求是新世纪亟需解决的巨大挑战。太阳能是最重要的可再生能源之一,将太阳光有效地转换为其它能量形式具有极其重要的研究价值。近年来,基于光异构化分子的光储热技术备受关注,它能够将太阳光中特定波长的光子能存储为分子构型中的化学能同时处于稳定状态的异构体转化成高能亚稳态异构体。这些亚稳态的异构体可通过催化剂、加热、光照或施加其它外界刺激的方式回复为原来稳定的异构体同时将存储的能量以热的形式释放出来。这种分子光储热系统的能量存储与释放不仅避免了任何温室气体的排放还具有循环稳定性。

北京科技大学王国杰教授课题组结合组内相关工作系统地总结了近年来具有相变特性和可见光能量存储的分子光储热系统的最新研究进展及其未来的发展方向。首先,作者概述了分子光储热系统的关键性能参数并回顾了具有固-液相变特性的分子光储热系统的最新研究进展。然后,讨论了可见光范围内光异构化分子的设计策略,并重点介绍了可见光能量存储的分子光储热系统。最后,作者描述了分子光储热系统面临的挑战并提出了一系列新兴策略以推动分子光储热系统的进一步研究和应用。

作者指出,目前广泛研究的光储热分子有降冰片二烯/四环烷(NBD/QC)、二氢氮杂烯/乙烯基庚二烯(DHA/VHF)、富瓦烯双金属配合物(FvRu2(CO)4)和偶氮苯化合物。该系统的关键参数分别为:存储能量密度、存储半衰期、太阳能转换效率和太阳光谱匹配度。具有固-液相变特性的分子光储热系统可通过同时捕获分子异构化能量和相变潜热能来显著提升存储能量密度。可见光范围内的能量存储为分子光储热系统在自然光下的高效存储提供了可能。另外,针对分子光储热系统面临的如相变分子光储热系统的热量释放不完全、可见光范围内的存储能量密度低以及太阳光谱匹配度低等关键的挑战。作者提出了一系列应对策略,如采用电刺激、机械刺激以及金属氧化物驱动催化等触发方法来实现相变分子光储热系统完全的热量释放,采用与相变或共价键结合的方式来显著提升分子光储热系统在可见光范围内的存储以及将分子光储热材料与光热转换材料或相变材料相结合来拓宽太阳光谱匹配度。

相关工作得到了国家自然科学基金和教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目的支持。

王国杰,北京科技大学材料科学与工程学院教授,从事光响应材料、发光材料、功能高分子材料研究工作多年,曾先后在吉林大学、清华大学、中科院化学所、美国乔治亚理工学院、比利时鲁汶大学、北京科技大学等单位进行相关工作的学习和研究。已在国际知名期刊发表SCI论文上百篇,论文在SCI被引用4000次以上。

论文信息:

Molecular Solar Thermal Systems towards Phase Change and Visible Light Photon Energy Storage

Xingtang Xu, Guojie Wang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202107473

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202107473