北理工Nano丨高效跨季储能材料研究新突破

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，2020年12月18日在线发表于Nano Energy (https:///doi.org/10.1016/j.nanoen. 2020.105603)。北京理工大学化学与化工学院研究生李梦甜和李亚婷为共同第一作者，北京理工大学是唯一作者单位。

化石燃料的使用过程产生污染物，造成大气污染和温室气体的排放。工农业生产和居民生活离不开热能，而且需求量巨大。工业废热和余热的浪费不但是能源浪费，而且造成更多污染物的排放。太阳能是取之不尽的绿色能源，但是其不稳定性和不连续性导致其至今无法充分利用。

储能技术不但可以回收和再用工业废热和余热，而且为太阳能的扩大和高效利用提供技术条件。化学储热技术利用可逆热化学反应储存和释放热能，能够长期储热，克服显热储热（熔盐储热）的技术瓶颈——储热过程的热能损耗大和储能密度低。

因此，化学储热技术的研究于近年来兴起。（2020年2月，教育部、国家发改委和国家能源局联合制定印发《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》；提出拟在5年左右增设若干储能技术本科专业、二级学科和交叉学科，推动若干储能技术学院（含研究院）的建设，建设一批储能技术产教融合的创新平台，推动储能技术关键环节的研究达到国际领先水平，形成一批重点技术规范和标准，有效推动能源革命和能源互联网的发展。）

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复合材料在270℃下的最大转化率和转化时间的对比。

氢氧化镁和氢氧化钙是具有应用前景的中高温(200–500℃)化学储热材料，通过脱水和水合反应分别完成储放热。但是，储放热速率低，储放热循环性能差，不能实际应用。为了解决这些问题，经过多年的努力，作者终于发现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1 a和1b）。

图2. 纯Mg(OH)2和MgCeLi-8-6复合材料的最大转化率、最大转化时间和循环次数的关系

图2是储放热循环性能实验结果，连续储放热循环20次后，储热效率还可以达到88%，储热时间为60分钟。这2个数据表明材料的储放热性能稳定，可以开展相关储放热设备及其工艺的研发。

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LnA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。

图5. 纯Mg(OH)2和MgCeLi-8-6复合材料的脱水反应活化能示意图

经过5年多对氢氧化物化学储热技术的研究，课题组不但研发了性能优异的储热材料（已申报相关技术专利）；而且，确立了相关的储放热性能评价参数，构建了有效的测试方法。

个人简介

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。

李梦甜，2018年于武汉科技大学化学与化工学院获学士学位，同年9月加入武钦佩教授课题组开展高效中温跨季储热材料的研究。

李亚婷，2017年毕业于长春理工大学，同年9月加入武钦佩教授课题组开展跨季储热技术研究，以第一作者发表SCI论文3篇。现就职于黎明化工研究设计院有限责任公司。

来源：北京理工大学化学与化工学院

北理工Nano丨高效跨季储能材料研究新突破

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