近期，北京理工大學化學與化工學院武欽佩教授團隊在儲能科學技術領域取得階段成果。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”為題，近日線上發表於 Nano Energy 。北京理工大學化學與化工學院研究生李夢甜和李亞婷為共同第一作者，北京理工大學是唯一作者單位。

化石燃料的使用過程產生汙染物，造成大氣汙染和溫室氣體的排放。工農業生產和居民生活離不開熱能，而且需求量巨大。工業廢熱和餘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餘熱，而且為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於近年來興起。（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年左右增設若干儲能技術本科專業、二級學科和交叉學科，推動若干儲能技術學院（含研究院）的建設，建設一批儲能技術產教融合的創新平臺，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準，有效推動能源革命和能源網際網路的發展。）

圖1 (a)純Mg(OH)2和MgCeLi-x-y複合材料在270℃下的等溫動力學曲線；(b) 純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，透過脫水和水合反應分別完成儲放熱。但是，儲放熱速率低，儲放熱迴圈效能差，不能實際應用。為了解決這些問題，經過多年的努力，作者終於發現Ce(NO3)3和LiOH能夠協同高效催化氫氧化物脫水，還提高了儲放熱迴圈效能。比如，氫氧化鎂的等溫動力學實驗（TG）結果表明含有質量分數為8% Ce(NO3)3和6% LiOH的材料能夠在14 min內完成脫水，而且轉化率高達99%。同樣條件下，純氫氧化鎂在300 min內的轉化率僅為21%；新材料的儲熱速率提高了約92倍（圖1a和1b）。

圖2 純Mg(OH)2和MgCeLi-8-6複合材料的最大轉化率、最大轉化時間和迴圈次數的關係

圖2是儲放熱迴圈效能實驗結果，連續儲放熱迴圈20次後，儲熱效率還可以達到88%，儲熱時間為60分鐘。這2個數據表明材料的儲放熱效能穩定，可以開展相關儲放熱裝置及其工藝的研發。

圖3 MgCeLi-8-6 脫水後高分辨透射電鏡圖

圖4 MgCeLi-8-6 脫水後產物的XPS圖

利用SEM，HRTEM，XRD和XPS等分析測試技術，研究了材料的組成和微觀結構，初步揭示了強化儲熱過程的催化機理和新增物對材料結構的影響(圖3和4)。根據脫水動力學實驗資料，作者推演了可能的動力學機理函式和動力學方程（式1和2）；動力學方程可以支援後續的數值模擬和儲能裝置的設計。脫水反應活化能的測試和計算結果表明活化能（E）和Ln A分別降低51%和50%（圖5）；因此，硝酸鈰和氫氧化鋰透過降低活化能和對材料微觀結構的影響顯著提升氫氧化鎂的儲放熱效能。

圖5 純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，課題組不但研發了效能優異的儲熱材料（已申報相關技術專利）；而且，確立了相關的儲放熱效能評價引數，構建了有效的測試方法。

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https:///doi.org/10.1016/j.nanoen. 2020.105603