一種新材料，能夠按需儲存和釋放熱能。以這種材料製成的儲熱設備不但能量存儲密度大，還具有成本低、運輸方便、儲能時間長的特點，有望開創一種捕獲和存儲太陽能的全新方式。
美開發出太陽熱能儲存新材料本報訊據美國《連線》雜誌2011年7月19日報導，日前美國研究人員開發出一種新材料，能夠按需儲存和釋放熱能。以這種材料製成的儲熱設備不但能量存儲密度大，還具有成本低、運輸方便、儲能時間長的特點，有望開創一種捕獲和存儲太陽能的全新方式。相關論文發表在《納米快報》雜誌上。
自20世紀70年代以來，科學家們就在尋找一種能以化學形式儲存太陽能而非將其轉化為電能的材料。但相關研究直到近年才取得了一些進展，2010年，美國麻省理工學院的傑弗里格羅斯曼揭示了二釕富瓦烯的獨特性質，並提出了液態儲熱材料構想。
二釕富瓦烯分子在被陽光照射時，內部結構會發生改變並將能量存儲起來，形成一種亞穩定結構。當需要時，這些熱量又能在特定催化劑的作用下被釋放出來，同時其分子也會恢復為放熱前的形態。這一過程可以不斷重複。通過這種方法可在甲地存儲熱量，乙地釋放熱量；也可以用產生的熱量驅動蒸汽發電機發電。
但這種材料的缺點在於，所含的釕元素稀有且昂貴，且由其製成的儲熱設備在能量密度上還不及傳統鋰離子電池。這使這項技術一直無法獲得大規模套用。
日前，格羅斯曼和他的同事艾拉克斯庫帕克藉助碳納米管對這一技術進行了完善，製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點外，還有價格低廉、熱穩定性好的特點，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，實驗顯示該材料的能量差（基能態到高能態之間的差值）和活化能（分子從常態轉變為容易發生化學反應的活躍狀態所需要的能量）都較為理想。實驗顯示，新材料在能量密度上可達690瓦小時/升，超過了傳統鋰離子電池（200―600瓦小時/升），相對於僅採用偶氮苯的能量密度（90瓦小時/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，其優勢在於將能量捕獲和存儲集成到了一個步驟當中，用一種材料就能同時完成轉化和存儲兩項任務。其缺點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電機來彌補。”
北卡羅來納大學化學系助理教授金井洋介說，通過化學鍵來實現太陽能可逆存儲近年來廣受關注。新研究的創新之處在於，它創建了可以用碳納米管來製造這種材料的納米模板，這為今後採用其他材料進行類似的研究鋪平了道路。
科學家揭示二釕富瓦烯作用機理 |
據美國物理學家組織網2011年10月25日報導，美國研究人員精確地揭示了二釕富瓦烯（fulvalene diruthenium）分子的工作原理。1996年被科學家發現的這種物質可按需存儲和釋放熱能。研究人員表示，新研究有助於科學家發現和設計出比該物質更便宜的替代品，從而研發出可存儲和釋放熱能而不是電能的電池。相關研究發表在近日出版的《套用化學》雜誌上。
之前的研究表明，二釕富瓦烯分子吸收陽光時，其結構會發生變化：將其置於更高能的狀態，其會長久保持穩定；額外給其添加一點熱或催化劑會讓其退回到原始形狀，並釋放出熱量。但研究人員現在發現，整個過程更複雜。
美國麻省理工學院材料科學和工程系電力工程學副教授傑弗里·格羅斯曼表示：“我們的研究結果表明，在上述過程中存在一個起關鍵作用的中間步驟。”
他解釋說，在這箇中間步驟中，二釕富瓦烯分子會在兩個已知狀態之間，形成一個半穩定結構。中間步驟的發現表明，二釕富瓦烯分子並非如此穩定，因此，科學家可尋找比釕更便宜的替代品。由於該過程是可逆的，這也使得“製造出一種可充放熱能的熱電池成為可能”，這種電池能夠重複地存儲和釋放從太陽光和其他來源中收集到的熱能。
格羅斯曼表示，從原理上講，使用二釕富瓦烯製造的電池，當它存儲的熱能全部釋放時，“能夠讓周圍的溫度達到200攝氏度，足夠加熱房間，或者驅使發動機發電”。
太陽能的利用有光熱轉換和光電轉換兩種。這種熱能電池主要“利用了太陽熱能的優勢，其穩定狀態可以持續很長時間，以便在需要時使用；而且，這種電池是可逆的，可將其置於太陽光下進行充熱，存儲的熱能使用完後可重新放回到太陽光下充熱”。
格羅斯曼表示，釕存在著稀缺性和成本高兩個問題。理解了這種分子的工作原理，科學家應該很容易發現其他“工作方式相同”的材料。研究人員接下來打算將二釕富瓦烯的工作過程與數百萬已知分子組成的資料庫結合起來，尋找其他擁有相同結構、能表現出同樣行為的候選材料，進一步加快研發新的太陽熱能電池。
