聚合物链系统能像圣诞灯一样可以用于储存太阳能?
责任编辑:马琪 作者:马琪译 2018/1/4 16:59:18 浏览:1320 技术

材料化学家多年来一直在尝试制造一种新型电池,可以将太阳能或其他光源储存在化学键中,而不是储存在电子中,这样就可以释放热能而不只是电能。根据麻省大学阿姆赫斯特分校的研究结果,这种方式能够实现长时间、高效稳定的储存太阳能。

 

目前,麻省大学阿姆赫斯特分校的一批材料化学家进行了相关研究并给出报告,称他们研发了一种聚合物链系统,解决了该领域的主要障碍之一。这种聚合物链系统可以抵抗高能量存储密度,即打破储能的量的瓶颈,这种聚合物链系统比传统的聚合物系统所储存的能量高两倍以上。(具体内容参见 Dhandapani Venkataraman,Seung Pyo Jeong,Larry Renna, Connor Boyle等人发表的论文)。

 

Venkataraman和Boyle表示,传统的聚合物系统的高能量存储密度在200焦耳/克范围内,而新的聚合物链系统能够达到平均每克510焦耳,最大为690焦耳/克。

 

Venkataraman说:“理论上我们的试验应该能够达到每克800焦耳,但是实际很难实现。这篇论文报道中我们已经表明,本次成果已经达到了聚合物系统每克存储的最高能量密度,也介绍了我们是如何做到的。”

 

作者指出,随着能量储存密度的提高以及他们的不断探索,他们目前正在接近锂电池的极限,新技术的应用包括诸如太阳能垫等产品,即白天从太阳中收集能量,然后将其存储在晚上加热食物,居住空间,衣物或毛毯。博伊尔指出,这种方法在无法接入电网的地区尤其有价值。

 

Venkataraman说,如果没有杰弗里·格罗斯曼早期在麻省理工学院的理论工作,他的团队的成就是不可能实现的:“如果没有他的论文和他对这个理论提出的一些想法,我认为我们今天不可能会收获这些成果。”格罗斯曼建议如果让常用化合物偶氮苯分子沿着刚性碳纳米管排列,则可以获得更高的能量密度。这个框架将允许科学家操纵分子间相互作用,这决定了多少能量能够被吸收和释放。

 

Venkataraman解释说:“我们理解控制排列的思路,但我们在想,要是使用柔性聚合物而不是刚性管呢?就像一串圣诞灯,灯光是偶氮苯分子。因为碳纳米管实现不了的是减少分子间距离。聚合物链的结构会使偶氮苯团体彼此靠近并相互作用,这也能使它们获得能量并变得更加稳定。”

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他还表示,他们的思路是正确的,“但我们其实还不完全理解原理。这个发现是出乎意料的,所以我们还会继续深入研究。平时我的学生如果以不明白原理为由来找我时,我都会让他们回去做更多的控制实验来了解和验证理论。这些不寻常的发现都需要用辩证的思想对待。“

 

文卡塔兰说:“实验的转折点在于,我们认为弦线之间的距离是最重要的。但更重要的是如何仔细安排多根弦线和光照。事实证明,我们使用的加工溶剂是用来安排和调节结构的,因此偶联在聚合物上的偶氮苯分子排列得非常整齐紧凑。它基本上确保了最大的包装密度。“

 

他们使用溶剂四氢呋喃(THF)进行这种处理,“仅仅因为它对这种聚合物体系来说是很好的溶剂,”博伊尔说,“没有怀疑这会影响到我们刚开始时储存多少能量,并随后释放。

 

Venkataraman说:“这篇论文讲述了在分子水平上THF如何影响我们在宏观上看到的能量。它从溶剂分子如何与聚合物相互作用开始,结果与分子堆积有关,它们是如何排列在空间中的。当分子被正确包装时,它们可以获得更多的能量。花了两年的时间,但是我们终于能够证明这是事实。“

 

他补充说,与位于纽约的科学软件和解决方案公司SchrödingerInc.的科学家进行合作,也对帮助麻萨诸塞大学的阿姆赫斯特科学家了解观察到的高能量存储密度的起源起到了关键作用。在Schrödinger的首席应用科学家Shaun Kwak的带领下,在强场技术专家Ed Hardder和Wolfgang Damm的带领下,该项目获得了必要的公司支持。

 

Kwak说:“直接与具有最高水平实验背景的科学家合作,在薛定谔中总是具有很高的价值。”他强调了他在整个合作过程中亲眼目睹的协同效应。 “这为我们提供了一个很好的机会,可以展示计算化学在大多数创新思想边缘的力量,如本文所示。

 

根据麻省大学阿姆赫斯特分校的资料,化学家们计划跟进这一发现,努力解决与系统充电有关的一些实际问题,所以他们还没有制造电池,但即将到来。


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