光化學儲能

argin: 5px 0px; line-height: 1.75em; font-size: 14px; font-family: sans-serif; text-indent: 2em;">光化學儲能是化學儲能技術(shù)中一個重要的分支，在太陽能存儲領(lǐng)域中具備誘人的應用前景。光化學存儲材料的優(yōu)點在于能夠在同一時刻完成對太陽光的捕獲和存儲兩個環(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，飛輪儲能、超導電磁儲能和超級電容器儲能適合于需要提供短時較大的脈沖功率場合，如應對電壓暫降和瞬時停電、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電池儲能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應急電源、可再生能源并入等大規(guī)模、大容量的應用場合。

簡介

隨著我國經(jīng)濟高速增長的同時，也面臨著日趨嚴峻的環(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。光化學儲能作為一種重要的化學儲能技術(shù)，在太陽能存儲領(lǐng)域中具備誘人的應用前景。

光響應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)化和特殊基團結(jié)構(gòu)的設(shè)計等優(yōu)點，可利用自身的光異構(gòu)化反應實現(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、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、制備與應用具有重要的指導意義。

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，從而實現(xiàn)熱能的儲存和釋放過程。［1］  顯熱存儲的熱傳導率高、成本低廉、穩(wěn)定性好，缺點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，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，導致相變性能惡化，儲能效果大打折扣。

（3）化學儲能材料

化學儲能的原理是利用化學反應熱的形式，可逆地將吸收的能量（太陽能、地熱能等）存儲起來，在需要提供能量時，通過外界觸發(fā)逆轉(zhuǎn)將能量以熱的形式釋放出來。相比前兩種存儲方式，化學儲能材料具備體積變化小、無相變過程、不存在相分離和過冷問題等優(yōu)點，且化學能的瞬間釋放功率很大。由于化學能比相變潛熱大，所以其儲能密度通常情況下要比其他儲能方式大得多。

光化學儲能是化學儲能技術(shù)中一個重要的分支，在太陽能存儲領(lǐng)域中具備誘人的應用前景。光化學反應包含雙分子光加成反應和單分子光致異構(gòu)反應，而單分子光致異構(gòu)反應又可細分為幾何異構(gòu)和價鍵異構(gòu)兩種。光化學存儲材料的優(yōu)點在于能夠在同一時刻完成對太陽光的捕獲和存儲兩個環(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鍵中，并通過保持必要的時間，在使用的時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)化反應原理

光致異構(gòu)又稱光誘導異構(gòu)化反應，即某些化合物在特定波長強度的光作用下，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：當化合物A受到波長

的光照射時，其會經(jīng)歷一個特定的化學反應過程，得到產(chǎn)物B，并將能量存儲于化學鍵中，同時化合物由于分子結(jié)構(gòu)改變，導致其吸收光譜也對應的產(chǎn)生變化；此時若用另一特定波長的光照射或通過加熱作用，化合物又能恢復到原來的狀態(tài)，并且以熱量形式釋放出儲存的光能。實驗過程中，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反應，盡管在光波作用下發(fā)生的其他一些不可逆的反應，也能導致化合物結(jié)構(gòu)或者性質(zhì)發(fā)生改變，但那只屬于一般的光化學范疇，而不屬于光致異構(gòu)反應范疇，這也是衡量一個反應是否為光致異構(gòu)化反應的重要標準。

光致異構(gòu)化儲能材料

人們研究光致異構(gòu)化現(xiàn)象已長達一百多年的歷史，早在1906年，化學家Weigert注意到異構(gòu)化分子的化學鍵變化會引起其自身能量的改變，進而提出可以利用化學鍵來存儲太陽能。緊接著，Calvin團隊也提出了通過合成籠狀或者小環(huán)化合物來存儲太陽能。上世紀初，光致異構(gòu)化的研究主要停留在價鍵異構(gòu)儲能，這主要是由于價鍵異構(gòu)的儲能能力強，特別是作為價鍵異構(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4000 kJ／kg，但由于其光反應的量子產(chǎn)率比較低，且產(chǎn)物十分復雜，棱柱烷只是其光反應眾多產(chǎn)物中極小的一部分，所以難以將其分離并應用于太陽能儲存領(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℃，氮氣保護的情況下能夠正常存儲，且儲能能力高達1212．2 kJ／kg，但由于降冰片二烯的吸收光波段發(fā)生在遠紫外區(qū)域，且反應的量子產(chǎn)率很低。二十世紀末，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，致使性能衰減嚴重而無法長期重復使用，因而將其作為太陽能光化學儲能材料的可靠性受到質(zhì)疑。2010年，美國麻省理工學院的杰弗里·格羅斯曼等人揭示了二釕富瓦烯（fulvalene diruthenium）的獨特性質(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，格羅斯曼團隊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)百萬已知分子進行對比，最終找到了結(jié)構(gòu)相同、且表現(xiàn)出同樣光反應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)展開實驗研究。