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      北理工在高效跨季儲能材料研究方面取得新突破


      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生污染物,造成大氣污染和溫室氣體的排放。工農業生產和居民生活離不開熱能,而且需求量巨大。工業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,但是其不穩定性和不連續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、國家發改委和國家能源局聯合制定印發《儲能技術專業學科發展行動計劃(2020—2024年)》;提出擬在5年左右增設若干儲能技術本科專業、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教融合的創新平臺,推動儲能技術關鍵環節的研究達到國際領先水平,形成一批重點技術規范和標準,有效推動能源革命和能源互聯網的發展。)

      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℃下的最大轉化率和轉化時間的對比。

      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,儲放熱循環性能差,不能實際應用。為了解決這些問題,經過多年的努力,作者終于發現Ce(NO3)3和LiOH能夠協同高效催化氫氧化物脫水,還提高了儲放熱循環性能。比如,氫氧化鎂的等溫動力學實驗(TG)結果表明含有質量分數為8% Ce(NO3)3和6% LiOH的材料能夠在14 min內完成脫水,而且轉化率高達99%。同樣條件下,純氫氧化鎂在300 min內的轉化率僅為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復合材料的最大轉化率、最大轉化時間和循環次數的關系

      圖2是儲放熱循環性能實驗結果,連續儲放熱循環20次后,儲熱效率還可以達到88%,儲熱時間為60分鐘。這2個數據表明材料的儲放熱性能穩定,可以開展相關儲放熱設備及其工藝的研發。

      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)。根據脫水動力學實驗數據,作者推演了可能的動力學機理函數和動力學方程(式1和2);動力學方程可以支持后續的數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。

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      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,課題組不但研發了性能優異的儲熱材料(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,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化合物和核苷類抗病毒抑制劑的分子設計和合成。迄今發表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,以第一作者發表SCI論文3篇。現就職于黎明化工研究設計院有限責任公司。


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