熱量存儲(chǔ)材料材料介紹

本報(bào)訊據(jù)美國《連線》雜志2011年7月19日報(bào)道，日前美國研究人員開發(fā)出一種新材料，能夠按需儲(chǔ)存和釋放熱能。以這種材料制成的儲(chǔ)熱設(shè)備不但能量存儲(chǔ)密度大，還具有成本低、運(yùn)輸方便、儲(chǔ)能時(shí)間長的特點(diǎn)，有望開創(chuàng)一種捕獲和存儲(chǔ)太陽能的全新方式。相關(guān)論文發(fā)表在《納米快報(bào)》雜志上。

自20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家們就在尋找一種能以化學(xué)形式儲(chǔ)存太陽能而非將其轉(zhuǎn)化為電能的材料。但相關(guān)研究直到近年才取得了一些進(jìn)展，2010年，美國麻省理工學(xué)院的杰弗里格羅斯曼揭示了二釕富瓦烯的獨(dú)特性質(zhì)，并提出了液態(tài)儲(chǔ)熱材料設(shè)想。

二釕富瓦烯分子在被陽光照射時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變并將能量存儲(chǔ)起來，形成一種亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要時(shí)，這些熱量又能在特定催化劑的作用下被釋放出來，同時(shí)其分子也會(huì)恢復(fù)為放熱前的形態(tài)。這一過程可以不斷重復(fù)。通過這種方法可在甲地存儲(chǔ)熱量，乙地釋放熱量；也可以用產(chǎn)生的熱量驅(qū)動(dòng)蒸汽發(fā)電機(jī)發(fā)電。

但這種材料的缺點(diǎn)在于，所含的釕元素稀有且昂貴，且由其制成的儲(chǔ)熱設(shè)備在能量密度上還不及傳統(tǒng)鋰離子電池。這使這項(xiàng)技術(shù)一直無法獲得大規(guī)模應(yīng)用。

日前，格羅斯曼和他的同事艾拉克斯庫帕克借助碳納米管對這一技術(shù)進(jìn)行了完善，制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(yōu)點(diǎn)外，還有價(jià)格低廉、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)顯示該材料的能量差（基能態(tài)到高能態(tài)之間的差值）和活化能（分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量）都較為理想。實(shí)驗(yàn)顯示，新材料在能量密度上可達(dá)690瓦小時(shí)/升，超過了傳統(tǒng)鋰離子電池（200―600瓦小時(shí)/升），相對于僅采用偶氮苯的能量密度（90瓦小時(shí)/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(yōu)勢在于將能量捕獲和存儲(chǔ)集成到了一個(gè)步驟當(dāng)中，用一種材料就能同時(shí)完成轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)兩項(xiàng)任務(wù)。其缺點(diǎn)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(fā)電機(jī)來彌補(bǔ)?！?

北卡羅來納大學(xué)化學(xué)系助理教授金井洋介說，通過化學(xué)鍵來實(shí)現(xiàn)太陽能可逆存儲(chǔ)近年來廣受關(guān)注。新研究的創(chuàng)新之處在于，它創(chuàng)建了可以用碳納米管來制造這種材料的納米模板，這為今后采用其他材料進(jìn)行類似的研究鋪平了道路。

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)2011年10月25日報(bào)道，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(xué)家發(fā)現(xiàn)的這種物質(zhì)可按需存儲(chǔ)和釋放熱能。研究人員表示，新研究有助于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)出比該物質(zhì)更便宜的替代品，從而研發(fā)出可存儲(chǔ)和釋放熱能而不是電能的電池。相關(guān)研究發(fā)表在近日出版的《應(yīng)用化學(xué)》雜志上。

之前的研究表明，二釕富瓦烯分子吸收陽光時(shí)，其結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化：將其置于更高能的狀態(tài)，其會(huì)長久保持穩(wěn)定；額外給其添加一點(diǎn)熱或催化劑會(huì)讓其退回到原始形狀，并釋放出熱量。但研究人員發(fā)現(xiàn)，整個(gè)過程更復(fù)雜。

美國麻省理工學(xué)院材料科學(xué)和工程系電力工程學(xué)副教授杰弗里·格羅斯曼表示：“我們的研究結(jié)果表明，在上述過程中存在一個(gè)起關(guān)鍵作用的中間步驟?！?

他解釋說，在這個(gè)中間步驟中，二釕富瓦烯分子會(huì)在兩個(gè)已知狀態(tài)之間，形成一個(gè)半穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。中間步驟的發(fā)現(xiàn)表明，二釕富瓦烯分子并非如此穩(wěn)定，因此，科學(xué)家可尋找比釕更便宜的替代品。由于該過程是可逆的，這也使得“制造出一種可充放熱能的熱電池成為可能”，這種電池能夠重復(fù)地存儲(chǔ)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，使用二釕富瓦烯制造的電池，當(dāng)它存儲(chǔ)的熱能全部釋放時(shí)，“能夠讓周圍的溫度達(dá)到200攝氏度，足夠加熱房間，或者驅(qū)使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電”。

太陽能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種。這種熱能電池主要“利用了太陽熱能的優(yōu)勢，其穩(wěn)定狀態(tài)可以持續(xù)很長時(shí)間，以便在需要時(shí)使用；而且，這種電池是可逆的，可將其置于太陽光下進(jìn)行充熱，存儲(chǔ)的熱能使用完后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(gè)問題。理解了這種分子的工作原理，科學(xué)家應(yīng)該很容易發(fā)現(xiàn)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(shù)百萬已知分子組成的數(shù)據(jù)庫結(jié)合起來，尋找其他擁有相同結(jié)構(gòu)、能表現(xiàn)出同樣行為的候選材料，進(jìn)一步加快研發(fā)新的太陽熱能電池。2100433B

可以做磁泡存儲(chǔ)的材料并不多，一般有六方鐵氧體(MFe₁₂O₁₉)(M表示堿金屬)、氟化鐵(FeF₃)、硼酸鐵(FeBO₃)、稀土正鐵酸鹽等。用作磁泡器件的材料還需是很薄(15μm以下)的單晶片。當(dāng)前發(fā)展重點(diǎn)是提高材料的磁泡密度、磁泡遷移率和溫度穩(wěn)定性。

磁介質(zhì)以恒定的速度沿一固定方向與一環(huán)形電磁鐵做相切運(yùn)動(dòng)，在磁頭線圈中通入待記錄的信號(hào)電流，磁頭縫隙將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度受信號(hào)調(diào)制的磁場。該磁場將磁化分布在介質(zhì)上的磁性材料，產(chǎn)生剩磁。由于介質(zhì)與磁頭的速度保持不變，剩磁沿介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向上的分布直接反應(yīng)了信號(hào)的變化規(guī)律。即記錄磁頭在介質(zhì)中感生并饋人了與信號(hào)電流成比例的剩余磁化強(qiáng)度，信號(hào)電流隨時(shí)間的變化規(guī)律轉(zhuǎn)化成剩余磁化強(qiáng)度隨距離的變化而被存儲(chǔ)下來了。這種記錄了信號(hào)的介質(zhì)將產(chǎn)生一定的磁場，在該介質(zhì)附近放置一拾波線圈，讓介質(zhì)相對于拾波線圈以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，在拾波線圈中將感生出受介質(zhì)中磁性材料產(chǎn)生的磁場調(diào)制的磁通，磁通大小與介質(zhì)中磁性材料的磁化強(qiáng)度成正比。磁存儲(chǔ)方法可以用來記錄多種類型的信號(hào)。如應(yīng)用最早、使用最廣泛的聲頻信號(hào)記錄。聲頻信號(hào)頻率低，記錄或回放時(shí)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度慢。但是聲頻信號(hào)記錄要求線性度好、信噪比高?，F(xiàn)在，磁存儲(chǔ)也用于記錄視頻信號(hào)，即記錄圖像。通常使用調(diào)頻信號(hào)來記錄視頻圖像，頻率高，要求磁頭和介質(zhì)之間的相對運(yùn)動(dòng)速度也高。通常采用旋轉(zhuǎn)磁頭來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字存儲(chǔ)中磁存儲(chǔ)也得到廣泛應(yīng)用，磁帶和磁盤是磁存儲(chǔ)的記錄數(shù)字信號(hào)的常用方式。無論是聲頻或是視頻信號(hào)，從原理上講，均可以采用數(shù)字磁存儲(chǔ)方式記錄。實(shí)際上，在互聯(lián)網(wǎng)搜索技術(shù)快速發(fā)展的今天，海量的信息存在磁盤陣列服務(wù)器上供全球甚至包括離開地球的宇航員檢索使用。這些數(shù)據(jù)包括文字、聲頻、視頻，以及其他可以數(shù)字化的信息。 2100433B

光存儲(chǔ)材料 【photomemory polymer material】一種借助光束作用寫入、讀出信息的材料。光存儲(chǔ)材料又稱為光記錄高分子材料，寫入時(shí)光盤的存儲(chǔ)介質(zhì)與聚焦的激光束相互作用，產(chǎn)生物理或化學(xué)作用，形成記錄點(diǎn)，當(dāng)光再次照射時(shí)形成反差，產(chǎn)生讀出信號(hào)。光記錄材料可以分為只讀型和讀寫型，只讀型由光盤基板和表面記錄層構(gòu)成，用于永久性保留信息，多是從可寫型光盤復(fù)制得到的，價(jià)格低廉，可以大批量復(fù)制生產(chǎn)，如常見的CD唱片、VCD和LD視盤等；讀寫型光記錄材料由光盤基板與光敏材料復(fù)合而成，記錄的信息可以在激光作用下改寫，用于臨時(shí)性信息記錄，價(jià)格較貴。光存儲(chǔ)材料是目前使用最廣、高密度、低價(jià)格信息記錄材料之一。