光化學(xué)儲能

argin: 5px 0px; line-height: 1.75em; font-size: 14px; font-family: sans-serif; text-indent: 2em;">光化學(xué)儲能是化學(xué)儲能技術(shù)中一個(gè)重要的分支，在太陽能存儲領(lǐng)域中具備誘人的應(yīng)用前景。光化學(xué)存儲材料的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在同一時(shí)刻完成對太陽光的捕獲和存儲兩個(gè)環(huán)節(jié)，無需增添其他能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，儲能方式顯得更加省事便捷。

儲能技術(shù)

儲能技術(shù)主要分為物理儲能（如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、化學(xué)儲能（如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池）和電磁儲能（如超導(dǎo)電磁儲能、超級電容器儲能等）三大類。根據(jù)各種儲能技術(shù)的特點(diǎn)，飛輪儲能、超導(dǎo)電磁儲能和超級電容器儲能適合于需要提供短時(shí)較大的脈沖功率場合，如應(yīng)對電壓暫降和瞬時(shí)停電、提高用戶的用電質(zhì)量，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等；而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學(xué)電池儲能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源并入等大規(guī)模、大容量的應(yīng)用場合。

簡介

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速增長的同時(shí)，也面臨著日趨嚴(yán)峻的環(huán)境和能源問題，開發(fā)和利用可再生能源已成為我國保持可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略任務(wù)之一。太陽能取之不盡，用之不竭，將是替代傳統(tǒng)化石能源的最佳選擇。由于太陽能的利用受地域性和時(shí)間性問題的制約，如何有效存儲和高效轉(zhuǎn)換是開發(fā)及利用太陽能急需解決的的關(guān)鍵技術(shù)問題。光化學(xué)儲能作為一種重要的化學(xué)儲能技術(shù)，在太陽能存儲領(lǐng)域中具備誘人的應(yīng)用前景。

光響應(yīng)化合物偶氮苯類分子由于其具有良好的吸收、可循環(huán)的異構(gòu)化和特殊基團(tuán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可利用自身的光異構(gòu)化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)太陽能的存儲和釋放，是一種極具潛力的新型太陽能儲能材料。由于偶氮苯化合物的異構(gòu)化速率、吸收光譜范圍等性能受其取代基團(tuán)、溶劑極性等因素影響，研究偶氮苯化合物異構(gòu)化性能的影響因素對偶氮苯類化合物儲能材料的設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

太陽能儲存材料

傳統(tǒng)的太陽能存儲材料分為物理存儲材料和化學(xué)存儲材料，物理存儲材料包含顯熱儲能材料和相變儲能材料。

（1）顯熱存儲材料

顯熱存儲材料主要是利用材料的比熱容儲存能量，通過控制材料溫度的升、降，從而實(shí)現(xiàn)熱能的儲存和釋放過程。［1］  顯熱存儲的熱傳導(dǎo)率高、成本低廉、穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是單位體積的蓄熱量小且無法恒溫傳熱，因此近年來對這方面的技術(shù)研究很少。

（2）相變存儲材料

相變存儲材料是利用物質(zhì)在物態(tài)變化（固一液，固一汽，液一汽和固一固）時(shí)，能夠吸收或放出大量的潛熱這一性質(zhì)來儲存能量。相變儲能是以相變材料為基礎(chǔ)的儲能技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是在相變過程中輸出的溫度和能量都很穩(wěn)定，且其儲能密度通常要比顯熱存儲材料高一個(gè)數(shù)量級。但其在經(jīng)過多次熱循環(huán)后混合物就出現(xiàn)相分層和過冷現(xiàn)象，導(dǎo)致相變性能惡化，儲能效果大打折扣。

（3）化學(xué)儲能材料

化學(xué)儲能的原理是利用化學(xué)反應(yīng)熱的形式，可逆地將吸收的能量（太陽能、化學(xué)能的瞬間釋放功率很大。由于化學(xué)能比相變潛熱大，所以其儲能密度通常情況下要比其他儲能方式大得多。

光化學(xué)儲能是化學(xué)儲能技術(shù)中一個(gè)重要的分支，在太陽能存儲領(lǐng)域中具備誘人的應(yīng)用前景。光化學(xué)反應(yīng)包含雙分子光加成反應(yīng)和單分子光致異構(gòu)反應(yīng)，而單分子光致異構(gòu)反應(yīng)又可細(xì)分為幾何異構(gòu)和價(jià)鍵異構(gòu)兩種。光化學(xué)存儲材料的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在同一時(shí)刻完成對太陽光的捕獲和存儲兩個(gè)環(huán)節(jié)，無需增添其他能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，儲能方式顯得更加省事便捷。Timothy Kucharski認(rèn)為光致異構(gòu)化在“黑暗中也能獲取太陽能”，也就是即便在陰天，光致異構(gòu)化反應(yīng)仍然具有一定的效率，且其能夠在常溫下將能量存儲于化學(xué)鍵中，并通過保持必要的時(shí)間，在使用的時(shí)候以少量的活化能激發(fā)令能量通過熱的形式釋放出來。

光致異構(gòu)化存儲太陽能

光致異構(gòu)化反應(yīng)原理

光致異構(gòu)又稱光誘導(dǎo)異構(gòu)化反應(yīng)，即某些化合物在特定波長強(qiáng)度的光作用下，其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)會由于光波的激發(fā)而發(fā)生改變。從能量儲存的角度看，光致異構(gòu)化現(xiàn)象可以描述為：當(dāng)化合物A受到波長

的光照射時(shí)，其會經(jīng)歷一個(gè)特定的化學(xué)反應(yīng)過程，得到產(chǎn)物B，并將能量存儲于化學(xué)鍵中，同時(shí)化合物由于分子結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致其吸收光譜也對應(yīng)的產(chǎn)生變化；此時(shí)若用另一特定波長的光照射或通過加熱作用，化合物又能恢復(fù)到原來的狀態(tài)，并且以熱量形式釋放出儲存的光能。實(shí)驗(yàn)過程中，A， B這兩種物質(zhì)在一定條件下都可以穩(wěn)定存在，且維持著各自特有的化學(xué)物理性質(zhì)，這種在光的作用下能發(fā)生可逆變化的化合物，稱為光致異構(gòu)化材料，又由于其反應(yīng)通常伴隨著顏色和能量的變化，也被稱為“光致變色”材料。

光致異構(gòu)化是一類完全可逆的光化學(xué)反應(yīng)，盡管在光波作用下發(fā)生的其他一些不可逆的反應(yīng)，也能導(dǎo)致化合物結(jié)構(gòu)或者性質(zhì)發(fā)生改變，但那只屬于一般的光化學(xué)范疇，而不屬于光致異構(gòu)反應(yīng)范疇，這也是衡量一個(gè)反應(yīng)是否為光致異構(gòu)化反應(yīng)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

光致異構(gòu)化儲能材料

人們研究光致異構(gòu)化現(xiàn)象已長達(dá)一百多年的歷史，早在1906年，化學(xué)家Weigert注意到異構(gòu)化分子的化學(xué)鍵變化會引起其自身能量的改變，進(jìn)而提出可以利用化學(xué)鍵來存儲太陽能。緊接著，Calvin團(tuán)隊(duì)也提出了通過合成籠狀或者小環(huán)化合物來存儲太陽能。上世紀(jì)初，光致異構(gòu)化的研究主要停留在價(jià)鍵異構(gòu)儲能，這主要是由于價(jià)鍵異構(gòu)的儲能能力強(qiáng)，特別是作為價(jià)鍵異構(gòu)的典型代表化合物一一苯，其在光作用下能夠異構(gòu)化為棱柱烷，貯存的太陽能高達(dá)4000 kJ／kg，但由于其光反應(yīng)的量子產(chǎn)率比較低，且產(chǎn)物十分復(fù)雜，棱柱烷只是其光反應(yīng)眾多產(chǎn)物中極小的一部分，所以難以將其分離并應(yīng)用于太陽能儲存領(lǐng)域。80年代末，Smith等發(fā)現(xiàn)在光照下降冰片二烯能夠異構(gòu)化為四環(huán)烷這一現(xiàn)象，并對其進(jìn)行了大量的研究，這種具有高張力籠狀結(jié)構(gòu)的大密度液態(tài)烴，在溫度低于127℃，氮?dú)獗Ｗo(hù)的情況下能夠正常存儲，且儲能能力高達(dá)1212．2 kJ／kg，但由于降冰片二烯的吸收光波段發(fā)生在遠(yuǎn)紫外區(qū)域，且反應(yīng)的量子產(chǎn)率很低。二十世紀(jì)末，Yamashita等用結(jié)構(gòu)修飾的方法得到了一系列新型的NBD（norbomadiene）修飾物，雖然產(chǎn)物的光吸收波段有所紅移且量子產(chǎn)率也得到相應(yīng)提高，但降冰片二烯長期暴露在陽光下容易發(fā)生降解，致使性能衰減嚴(yán)重而無法長期重復(fù)使用，因而將其作為太陽能光化學(xué)儲能材料的可靠性受到質(zhì)疑。2010年，美國麻省理工學(xué)院的杰弗里·格羅斯曼等人揭示了二釕富瓦烯（fulvalene diruthenium）的獨(dú)特性質(zhì)：能夠以熱的形式將吸收到的太陽光能量無限期儲存。由于材料中用到了金屬釕，這是一種稀有金屬且價(jià)格昂貴，無法大規(guī)模投入使用，且二釕富瓦烯的儲能密度較鏗電池的儲能密度（200－－－600 KJ／kg）要小得多，于是，格羅斯曼團(tuán)隊(duì)又將二釕富瓦烯這種材料的工作過程與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)百萬已知分子進(jìn)行對比，最終找到了結(jié)構(gòu)相同、且表現(xiàn)出同樣光反應(yīng)行為的儲存偶氮苯化合物，并從偶氮苯化合物的順反異構(gòu)化性能和儲能特性等出發(fā)展開實(shí)驗(yàn)研究。