光储热材料嘧啶酮

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以紧凑、可充电的形式储存太阳能，仍是太阳能利用领域的核心挑战。

分子太阳能光热（MOST）储能系统可直接捕获光子能量并按需以热能形

式释放，但长期以来难以满足实际应用指标。受 DNA 结构与光化学过程

启发，美国布兰迪斯大学 Grace G. D. Han/K. N. Houk 团队报道一

种基于嘧啶酮的 MOST 系统：在 300 nm 光激发下，能量储存在具有张

力的杜瓦型（Dewar）光异构体中。

该系统以可持续性为设计目标，可无溶剂运行且兼容水环境，同时突破了

该领域最大难题之一：储存热量的可控提取与传递。在酸催化下，Dewar

异构体释放的热量足以将约 0.5 mL 水煮沸。这些进展为分布式太阳能储

热与离网能源解决方案指明了方向。

撰文：Penn

编辑：小澜

→这是《环球零碳》的 1892 篇原创

自18 世纪本杰明·富兰克林的闪电实验以来，人类文明就一直对“将闪电装瓶”的

想法充满好奇。

随着时间的推移，如今，我们或许将要见证“装瓶”概念的回归。加州大学圣巴

巴拉分校（UCSB）的科学家们可能已经找到了一种方法，利用杜瓦瓶中的嘧啶

酮溶液（Dewar pyrimidone）来“装瓶”阳光，将太阳能以热能的形式储存，从而

无需使用电池。

目前，太阳能利用面临的主要挑战之一是日落之后的能源供应问题。白天，太

阳能电池板捕获太阳光谱范围内的能量并将其转化为可用能源。而到了夜晚或

者阴雨天，太阳能电池板则停止了工作。

常见的解决办法是通过各种储能方案（最常见的是电池）储存能量以备后用。

然而，大多数此类解决方案体积庞大、结构复杂、价格昂贵，或者在能量存储

和转换方面效率低下。例如，电池充放电过程中的化学能转换常常会带来能量

损失。

近日，加州大学圣巴巴拉分校副教授格蕾丝·韩及其团队研发出一种新型材料，

它能能够捕获太阳光，将其储存在化学键中，并根据需要以热能的形式释放出

来。这是一种新型的分子太阳能热能（MOST）储能技术，属于新兴的太阳能技

术。

相关研究成果已于近日发表在在《科学》杂志上，研究团队在论文中指出，这

种新型材料除了能够反复充放电（扭转和解旋）而不破坏其结构外，还能储存

能量长达数月。杜瓦异构体极其稳定，在室温下计算出的半衰期长达481 天。

在能量存储的终极测试中，加州大学圣巴巴拉分校的嘧啶酮系统实现了每公斤

约 1.6 兆焦耳的能量密度，大约是标准锂离子电池（每公斤约 0.9 兆焦耳）的两

倍。

这意味着该技术能够将太阳能存储在可重复使用的液体溶液中，其能量密度高

于传统电池，并有可能改变能源行业储存能量的方式。

图说：嘧啶酮杜瓦瓶实现分子太阳能热能存储

来源：Science

“这个概念是可重复使用和可回收的，”韩教授研究团队的博士生、论文第一作

者韩阮（Han Nguyen）说。

“想想光致变色太阳镜。在室内时，镜片是透明的。走到阳光下，镜片会自动变

暗。回到室内，镜片又会恢复透明，”韩阮（Han Nguyen）表示。“我们感兴趣

的正是这种可逆变化。只不过，我们不是想改变颜色，而是想利用同样的原理

来储存能量，在需要时释放能量，然后反复利用这种材料。”

尽管几十年来，分子太阳能热（MOST）储能一直被视为一项重大技术，但始终

未能真正普及。这些分子要么储能不足，要么降解过快，要么需要使用有毒溶

剂，使其难以实际应用。

为了找到解决这些问题的方法，由加州大学圣巴巴拉分校研究团队从晒伤造成

的基因损伤中汲取灵感。他们的想法是利用类似于紫外线损伤 DNA 的反应来储

存能量。

当你在海滩上待的时间过长时，高能紫外线会导致 DNA 中相邻的碱基连接在一

起，形成一种特殊的损伤结构。当这种损伤暴露于更多紫外线时，它会扭曲成

一种更奇特的形状，称为“杜瓦”异构体。

研究人员意识到，杜瓦异构体本质上是一种分子电池。其具备的回弹效应会释

放大量热量，这也正是研究团队一直希望寻找的。

图说：分子太阳能热能存储系统示意图

来源：Chalmers University of Technology

研究团队通过合成该结构，创造出一种能够可逆地储存和释放能量的分子。这

种特殊设计的液体含有光响应性修饰的嘧啶酮分子，当暴露于阳光下时，每个

分子都会发生可逆的结构变化，从低能构型转变为高能的应力构型。

你可以把每个分子想象成一根微型弹簧。当受到阳光照射时，阳光“缠绕”着这

根弹簧，迫使分子扭曲成一种富含能量的杜瓦异构体。然后，分子会保持这种

状态，有时长达数月甚至数年，而不会释放储存的能量。

当施加催化剂，例如热或酸时，分子会迅速恢复到原来的形状，并将储存的能

量以热的形式释放出来。

韩阮（Han Nguyen）表示：“我们通常把它描述为可充电太阳能电池。它能储存

阳光，而且可以充电。”

以往的分子太阳能热能（MOST）系统尝试都难以与锂离子电池竞争。降冰片二

烯是研究最为深入的候选材料之一，其能量密度最高也只有0.97 兆焦/千克左右。

另一种候选材料氮硼烷的能量密度仅为0.65 兆焦/千克。它们或许在科学上很有

意思，但却无法用来实际应用。

而此次，在能量存储的终极测试中，加州大学圣巴巴拉分校的嘧啶酮系统实现

了每公斤约 1.6 兆焦耳的能量密度，大约是标准锂离子电池（每公斤约 0.9 兆焦

耳）的两倍。

图说：格蕾丝·韩教授在实验室工作

来源：UCSB

韩教授团队取得的关键突破在于将高能量密度转化为实际成果。在这项研究中，

研究人员证明，这种材料释放的热量足以将水煮沸——这在以往的该领域是难

以实现的。

研究人员表示：“煮沸水是一个高能耗的过程。我们能够在常温常压下煮沸水，

这是一项巨大的成就。”

这项技术为各种实际应用打开了大门，从露营时的离网供暖到家庭热水供应，

均可应用。由于这种材料可溶于水，因此可以将其泵入屋顶太阳能集热器，白

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摘要：

以紧凑、可充电的形式储存太阳能，仍是太阳能利用领域的核心挑战。分子太阳能光热（MOST）储能系统可直接捕获光子能量并按需以热能形式释放，但长期以来难以满足实际应用指标。受DNA结构与光化学过程启发，美国布兰迪斯大学GraceG.D.Han/K.N.Houk团队报道一种基于嘧啶酮的MOST系统：在300nm光激发下，能量储存在具有张力的杜瓦型（Dewar）光异构体中。该系统以可持续性为设计目标，可无溶剂运行且兼容水环境，同时突破了该领域最大难题之一：储存热量的可控提取与传递。在酸催化下，Dewar异构体释放的热量足以将约0.5mL水煮沸。这些进展为分布式太阳能储热与离网能源解决方案指明了方向。撰...

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