近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授和李廷賢研究員領(lǐng)銜的能源-空氣-水ITEWA團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源化學(xué)領(lǐng)域期刊ACS Energy Letters上發(fā)表了題目為“Ultrahigh-Energy-Density Sorption Thermal Battery Enabled by Graphene Aerogel-Based Composite Sorbents for Thermal Energy Harvesting from Air”的研究論文。該論文提出了基于石墨烯氣凝膠復(fù)合吸附劑的超高能量密度吸附熱池，通過石墨烯氣凝膠復(fù)合吸附劑與空氣中水蒸汽之間的解吸-吸附實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱與放熱，同時(shí)通過熱力循環(huán)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱階段的熱能梯級利用和放熱階段的熱能提質(zhì)利用，能量密度可高達(dá)1580 Wh·kg-1, 是傳統(tǒng)顯熱/相變儲(chǔ)熱的20-30倍。論文第一作者是博士研究生嚴(yán)泰森和李廷賢研究員，通訊作者是李廷賢研究員和王如竹教授。
儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可再生能源規(guī)模化高效可靠利用的關(guān)鍵支撐技術(shù)，熱化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)因具有高能量密度的優(yōu)勢，近年來得到了廣泛關(guān)注，該儲(chǔ)熱技術(shù)通過反應(yīng)鹽的解吸/分解-吸附/合成過程實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)與釋放。目前熱化學(xué)儲(chǔ)能面臨的瓶頸難題是反應(yīng)鹽經(jīng)多次循環(huán)后會(huì)出現(xiàn)膨脹結(jié)塊現(xiàn)象，導(dǎo)致傳質(zhì)惡化、反應(yīng)活性衰減和反應(yīng)速率下降，嚴(yán)重影響儲(chǔ)熱性能。將反應(yīng)鹽負(fù)載至多孔基質(zhì)制備復(fù)合材料是解決上述難題的有效途徑，同時(shí)可緩解反應(yīng)鹽的潮解泄露和腐蝕等問題。但傳統(tǒng)多孔基質(zhì)材料的孔隙率較低導(dǎo)致復(fù)合材料的鹽負(fù)載量低和傳質(zhì)緩慢，造成復(fù)合材料的儲(chǔ)熱能量密度和功率密度較低，因此開發(fā)高性能的復(fù)合材料對發(fā)展熱化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
圖1.基于水蒸汽吸附/解吸實(shí)現(xiàn)連續(xù)供熱的吸附熱池工作原理
論文作者提出了基于水蒸汽吸附/解吸從空氣中取能的吸附熱池，儲(chǔ)熱階段，利用熱空氣驅(qū)動(dòng)吸附熱池的吸附劑發(fā)生解吸反應(yīng)，將熱空氣的顯熱以吸附劑-水的吸附勢能形式存儲(chǔ)在吸附熱池，同時(shí)熱空氣溫度從Th降至Tw，然后通過熱能的梯級利用實(shí)現(xiàn)向外界的供熱；放熱階段，冷空氣流過吸附熱池驅(qū)動(dòng)水分子與吸附劑發(fā)生吸附反應(yīng)，利用吸附劑-水吸附反應(yīng)釋放的吸附熱將冷空氣從Ta加熱至Tw，通過熱能的品位提升實(shí)現(xiàn)向外界的供熱。相比于傳統(tǒng)儲(chǔ)熱裝置的間斷運(yùn)行，吸附熱池結(jié)合儲(chǔ)熱過程的熱能梯級利用與放熱過程的熱提質(zhì)利用，可提高能源利用效率和實(shí)現(xiàn)連續(xù)供熱輸出。
圖2 吸附熱池搭建及性能測試
研究工作提出了從空氣中取能實(shí)現(xiàn)超高能量密度儲(chǔ)熱的吸附熱池，采用“水熱合成-溶液浸漬法”制備了石墨烯氣凝膠復(fù)合吸附材料，利用石墨烯氣凝膠的高孔隙率特性和三維多孔骨架結(jié)構(gòu)提高了反應(yīng)鹽的吸附-解吸傳質(zhì)性能，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)鹽固-氣化學(xué)吸附、固-液潮解和溶液吸收的多步耦合，具有鹽負(fù)載量高（96 wt%）、吸附量大（2.89 g·g-1）、吸附速率快和穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上采用模塊化石墨烯氣凝膠復(fù)合吸附劑，構(gòu)建了從空氣中取能的吸附熱池，通過耦合儲(chǔ)熱過程的熱能梯級利用與放熱過程的熱能提質(zhì)利用，實(shí)現(xiàn)了吸附熱池向外界的連續(xù)供熱，儲(chǔ)熱能量密度高達(dá)1580 Wh·kg-1、功率密度達(dá)815 W·kg-1，該工作為低碳高效、高能量密度、高功率密度的熱能收集、儲(chǔ)存和利用提供了新思路。
研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目金磚國家BRICS專項(xiàng)的資助，由上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所、俄羅斯科學(xué)院Boreskov催化研究所、印度科學(xué)學(xué)院三方課題組合作完成。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊(duì)近年來在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material等國際期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文，該團(tuán)隊(duì)致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
附：期刊簡介
《ACS Energy Letters》是美國化學(xué)學(xué)會(huì)ACS出版社旗下的能源類綜合性旗艦期刊 （影響因子19.003），致力于發(fā)表與能源相關(guān)的新穎性高水平論文，目前在Web of Science 的Electrochemistry category期刊排名中位列第一。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00284
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