科学家研制神奇液体：把太阳能装在瓶子里保存几年

出品|网易科学人栏目组 晗冰

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图示：瑞典哥德堡查尔默斯理工大学教授开发的太阳能热能燃料储能系统

瑞典科学家研制出一种特殊液体，可以吸收少量太阳能并储存起来，然后在需要的时候释放出来。

太阳能是一种清洁能源，如果我们可以把太阳能装进瓶子，即便没有太阳光，也可以为我们提供能源，但这种想法能实现吗？

几十年来科学家们一直在寻找方法，现在瑞典研究人员表示，相关工作有了重大进展。他们已经开发出一种特殊的液体，可以吸收少量太阳能，并储存几个月甚至几年，然后在需要的时候释放出来。如果这种太阳能热能燃料能够得到完善，它可能会取代化石燃料，并帮助解决我们面临的全球变暖问题。

与石油、煤炭和天然气不同，太阳能热能燃料是可重复使用的，而且对环境友好。这种燃料能够在不排放二氧化碳和其他温室气体的前提下释放能量。

麻省理工学院研究此类材料的实验室负责人杰弗里 格罗斯曼(Jeffrey Grossman)表示:“太阳能热能燃料就像可充电电池，但与电能不同的是，需要先吸收阳光，然后在需要的时候将热量释放出来。”

在瑞典哥德堡查尔默斯理工大学的物理大楼屋顶上，卡斯珀・莫斯-保尔森（Kasper Moth-Poulsen）建造了一个原型系统，用于测试研究小组开发的新型太阳能热能燃料。

当泵驱动液体循环通过透明管道时，来自太阳的紫外光会激发其分子进入充能状态。光使得燃料中碳、氢和氮原子之间的键进行重新排列，将一种被称为降冰片二烯的化合物转化为一种四环烷的化合物。由于能量被强化学键所束缚，即使当它冷却下来时，四环烷仍然保留着捕获的太阳能。

为了提取储存的能量，莫斯-保尔森将这种活性燃料通过钴基催化剂，四环烷分子就会转变为降冰片二烯。这种转化释放出大量的热量，足以将燃料的温度提高63摄氏度。

图示：这种能量系统能够实现闭环运行。

如果燃料在室温下发生转化(大约21摄氏度)，它很快就会升温到84摄氏度。

格罗斯曼说:“你可以把热能用在热水器、洗碗机或烘干机上。”

据统计，用于烹饪、灭菌、漂白、蒸馏等商业操作的能量消耗占到欧盟所有能源消耗的7%。

这种太阳能热能燃料可以储存在房屋或工厂内的非保温储罐中，或者用管道或卡车在太阳能发电场和城市之间运送。相关的转化过程只会消耗很少的燃料或催化剂，所以整个系统可以在一个闭环中运行，重复收集太阳能并在需要时散发热量。“我们已经运行了125个周期，没有任何明显的性能下降，”莫斯-保尔森说。

没有火的热能

根据莫斯-保尔森的计算，每公斤燃料能储存250瓦时的能量，这大约是特斯拉Powerwall电池能量的两倍，目前一些房主和公用事业公司用特斯拉的电池来储存太阳能电池板产生的电能。

格罗斯曼在谈到这项研究时说:“我对卡斯珀的研究感到非常兴奋。”他说，上世纪70年代，在对降冰片二烯燃料进行大量研究之后，化学家们陷入了困境。经过几个循环后，燃料会不断分解。它们的能量维持时间不长，而且必须与有毒溶剂混合，但有毒溶剂会稀释这种吸能燃料。格罗斯曼说，“莫斯-保尔森正在使用最先进的工具来修复它。”

这些新研究结果引起了投资者的关注。莫斯-保尔森说，很多公司都联系过他，讨论商业化的可能性。

从原型到产品

尽管太阳能热能燃料前景广阔，但仍需要多年的发展。“我们已经取得了很多进展，”莫斯-保尔森说，“但仍有很多问题需要解决。”

下一步将是开发一种单一燃料，它将结合其他团队开发的多种燃料变体的最佳特性，包括长保质期、高能量密度和良好的可回收性。

莫斯-保尔森的原型燃料是通过普通工业过程和广泛使用的工业试剂(包括乙炔的衍生物)制成的。但目前尚不清楚这种燃料的商业售价是多少。

成本的一个重要因素将是燃料的效率，目前这种热能燃料的效率相当低。原型燃料只对包括紫外线和蓝色等最短波长的阳光做出反应，而它们只占太阳能的5%。保尔森说，他正在努力扩大这种燃料的敏感性，使其能够对更多的光谱有所反应。

他还打算打破温度上升63摄氏度的记录。他表示:“如果对化学结构进行更多调整，我认为可以将(上升温度)推至80摄氏度或更高。”

40岁的莫斯-保尔森回忆道:“刚开始的时候，只有一个研究小组在研究这种系统。现在包括美国、中国、德国在内的大约15个团队都在迎接这一挑战。”