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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,北京理工大学化学与化工学院武钦佩教授团队在储能科学技术领域取得阶段成果。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”为题,12月18日在线发表于 Nano Energy  (https:///doi.org/10.1016/j.nanoen. 2020.105603)。500万彩票网化學與化工學院研究生李夢甜和李亞婷爲共同第一作者,500万彩票网是唯一作者單位。

化石燃料的使用過程産生汙染物,造成大氣汙染和溫室氣體的排放。工農業生産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,而且造成更多汙染物的排放。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,而且爲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年左右增設若幹儲能技術本科專業、二級學科和交叉學科,推動若幹儲能技術學院(含研究院)的建設,建設一批儲能技術産教融合的創新平台,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範和標准,有效推動能源革命和能源互聯網的發展。)

图1 (a)纯Mg(OH)2和MgCeLi-x-y复合材料在270℃下的等温动力学曲线;(b) 纯Mg(OH)2和MgCeLi-x-y複合材料在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。爲了解決這些問題,經過多年的努力,作者終于發現Ce(NO3)3和LiOH能够协同高效催化氢氧化物脱水,还提高了储放热循环性能。比如,氢氧化镁的等温动力学实验(TG)结果表明含有质量分数为8% Ce(NO3)3和6% LiOH的材料能够在14 min内完成脱水,而且转化率高达99%。同样条件下,纯氢氧化镁在300 min内的转化率仅为21%;新材料的储热速率提高了约92倍(图1a和1b)。

图2 纯Mg(OH)2和MgCeLi-8-6複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次後,儲熱效率還可以達到88%,儲熱時間爲60分鍾。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。

图3 MgCeLi-8-6 脱水后高分辨透射电镜图

图4 MgCeLi-8-6 脱水后产物的XPS图

利用SEM,HRTEM,XRD和XPS等分析测试技术,研究了材料的组成和微观结构,初步揭示了强化储热过程的催化机理和添加物对材料结构的影响(图3和4)。根据脱水动力学实验数据,作者推演了可能的动力学机理函数和动力学方程(式1和2);动力学方程可以支持后续的数值模拟和储能设备的设计。脱水反应活化能的测试和计算结果表明活化能(E)和Ln A分别降低51%和50%(图5);因此,硝酸铈和氢氧化锂通过降低活化能和对材料微观结构的影响显著提升氢氧化镁的储放热性能。

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图5 纯Mg(OH)2和MgCeLi-8-6複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:

武钦佩,北京理工大学化学与化工学院教授,英国伦敦国王学院博士。研究方向主要包括能量存储和生物活性分子合成,在储能领域主要研究氢氧化镁和氢氧化钙储放热速率的增强、材料的稳定性能、储放热工艺和储放热设备的设计,在生物活性分子领域主要研究杂环化合物和核苷类抗病毒抑制剂的分子设计和合成。迄今发表SCI论文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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