若我們要在以再生能源來驅動這個星球的方面上表現得更好,我們需要找到更有效率地儲存該些能量的方式,直到需要使用它們時。而現在,科學家已辨識出一種可以給我們此需求的特別材料。

嶄新儲能材料

此材料作為一種金屬有機框架(metal-organic framework,MOF)而為人熟知。在 MOF 中,以碳為主的分子藉由連結金屬離子而形成結構。關鍵地是,MOF 為多孔的,所以它們可以與其他小分子形成複合材料。

這就是最近一個研究團隊所做的,在 MOF 中加入吸光化合物─偶氮苯(azobenzene)的分子。偶氮苯扮演著光控開關(photoswitch)的角色,所述光控開關是一種會對例如光或熱等外部刺激產生反應的分子機器。在紫外光之下,分子會改變形狀,同時留在 MOF 的孔洞框架中,而有效地儲存能量。

完成的複合材料能夠在室溫下儲存來自紫外光的能量至少四個月,之後再將該能量再度釋放。這是很大的改善,因為大部分對光具反應性的材料僅可保持能量數天至數周。

英國蘭卡斯特大學(Lancaster University)的材料化學家約翰·格里芬博士(John Griffin)說到:「這種材料以有點類似相轉變材料的方式發揮作用,所述相轉變材料被用來在懷爐中提供熱。然而,懷爐需要被加熱來重新充電,但是這種材料的好處是它能夠直接從太陽捕捉自由能。」對複合 MOF 材料施加熱可驅動能量的快速釋放,此能量本身會釋放出熱,之後能具潛力地被用來加熱其他材料或設備。

未來應用

雖然此材料仍需要一些研究才能在商業上可行,但其最終可以用來替車子的擋風玻璃除冰、替家庭及辦公室提供額外加熱、或者作為無法供電地區的加熱源。諸如此類的光控開關也可應用於資料儲存與藥物傳遞。

格里芬表示:「該材料也沒有移動部分或電子部分,因此在儲存及釋放太陽能時並沒有損失參與其中。透過進一步的發展,我們希望能夠製造其他能夠儲存更多能量的材料。」

改善空間

雖然過去的研究也專注於在光控開關中儲存太陽能,但是它們通常必須保持於液體中。轉換成固體的 MOF 複合材料意味著該系統較容易控制,且也具有較佳的化學穩定性。

現在,需要更多的研究來讓此 MOF 材料準備好被廣泛的使用。雖然測試結果顯示它一次能夠儲存能量達數個月,但是該材料的能量密度相對較低,而這是研究人員希望能夠改善的部分之一。

好消息是,在此研究中所使用的設定中有許多可以被調整來試著改善結果,最終希望能夠成為另一個人類可以依靠的、經濟有效且可靠的儲能方法。來自蘭卡斯特大學的 X 光技術員奈森·哈克維奇(Nathan Halcovitch)說:「我們的方法意指有許多方式能夠來嘗試優化這些材料,可以藉由改變光控開關本身,或是改變多孔主體框架。」

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參考資料:

  1. Nield, D., (2020, December 12). New Material Can Store Energy from The Sun for Months or Even Years. ScienceAlert
  2. Griffiths, K. et al., (2020, November 25). Long-Term Solar Energy Storage under Ambient Conditions in a MOF-Based Solid–Solid Phase-Change Material. ACS Publications. doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c02708
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/new-material-can-store-energy-from-the-sun-for-months-or-even-years(圖:Aaron Burden/Unsplash)
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