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環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

來源：AI生成

撰文：Penn

編輯：小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1892篇原創(chuàng)

自18世紀(jì)本杰明·富蘭克林的閃電實(shí)驗(yàn)以來，人類文明就一直對(duì)“將閃電裝瓶”的想法充滿好奇。

隨著時(shí)間的推移，如今，我們或許將要見證“裝瓶”概念的回歸。加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）的科學(xué)家們可能已經(jīng)找到了一種方法，利用杜瓦瓶中的嘧啶酮溶液（Dewar pyrimidone）來“裝瓶”陽光，將太陽能以熱能的形式儲(chǔ)存，從而無需使用電池。

目前，太陽能利用面臨的主要挑戰(zhàn)之一是日落之后的能源供應(yīng)問題。白天，太陽能電池板捕獲太陽光譜范圍內(nèi)的能量并將其轉(zhuǎn)化為可用能源。而到了夜晚或者陰雨天，太陽能電池板則停止了工作。

常見的解決辦法是通過各種儲(chǔ)能方案（最常見的是電池）儲(chǔ)存能量以備后用。然而，大多數(shù)此類解決方案體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，或者在能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換方面效率低下。例如，電池充放電過程中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換常常會(huì)帶來能量損失。

近日，加州大學(xué)圣巴巴拉分校副教授格蕾絲·韓及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型材料，它能能夠捕獲太陽光，將其儲(chǔ)存在化學(xué)鍵中，并根據(jù)需要以熱能的形式釋放出來。這是一種新型的分子太陽能熱能（MOST）儲(chǔ)能技術(shù)，屬于新興的太陽能技術(shù)。

相關(guān)研究成果已于近日發(fā)表在在《科學(xué)》雜志上，研究團(tuán)隊(duì)在論文中指出，這種新型材料除了能夠反復(fù)充放電（扭轉(zhuǎn)和解旋）而不破壞其結(jié)構(gòu)外，還能儲(chǔ)存能量長達(dá)數(shù)月。杜瓦異構(gòu)體極其穩(wěn)定，在室溫下計(jì)算出的半衰期長達(dá)481天。

在能量存儲(chǔ)的終極測(cè)試中，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的嘧啶酮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了每公斤約 1.6 兆焦耳的能量密度，大約是標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池（每公斤約 0.9 兆焦耳）的兩倍。

這意味著該技術(shù)能夠?qū)⑻柲艽鎯?chǔ)在可重復(fù)使用的液體溶液中，其能量密度高于傳統(tǒng)電池，并有可能改變能源行業(yè)儲(chǔ)存能量的方式。

圖說：嘧啶酮杜瓦瓶實(shí)現(xiàn)分子太陽能熱能存儲(chǔ)

來源：Science

“這個(gè)概念是可重復(fù)使用和可回收的，”韓教授研究團(tuán)隊(duì)的博士生、論文第一作者韓阮（Han Nguyen）說。

“想想光致變色太陽鏡。在室內(nèi)時(shí)，鏡片是透明的。走到陽光下，鏡片會(huì)自動(dòng)變暗?；氐绞覂?nèi)，鏡片又會(huì)恢復(fù)透明，”韓阮（Han Nguyen）表示?！拔覀兏信d趣的正是這種可逆變化。只不過，我們不是想改變顏色，而是想利用同樣的原理來儲(chǔ)存能量，在需要時(shí)釋放能量，然后反復(fù)利用這種材料。”

盡管幾十年來，分子太陽能熱（MOST）儲(chǔ)能一直被視為一項(xiàng)重大技術(shù)，但始終未能真正普及。這些分子要么儲(chǔ)能不足，要么降解過快，要么需要使用有毒溶劑，使其難以實(shí)際應(yīng)用。

為了找到解決這些問題的方法，由加州大學(xué)圣巴巴拉分校研究團(tuán)隊(duì)從曬傷造成的基因損傷中汲取靈感。他們的想法是利用類似于紫外線損傷DNA的反應(yīng)來儲(chǔ)存能量。

當(dāng)你在海灘上待的時(shí)間過長時(shí)，高能紫外線會(huì)導(dǎo)致DNA中相鄰的堿基連接在一起，形成一種特殊的損傷結(jié)構(gòu)。當(dāng)這種損傷暴露于更多紫外線時(shí)，它會(huì)扭曲成一種更奇特的形狀，稱為“杜瓦”異構(gòu)體。

研究人員意識(shí)到，杜瓦異構(gòu)體本質(zhì)上是一種分子電池。其具備的回彈效應(yīng)會(huì)釋放大量熱量，這也正是研究團(tuán)隊(duì)一直希望尋找的。

圖說：分子太陽能熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)示意圖

來源：Chalmers University of Technology

研究團(tuán)隊(duì)通過合成該結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出一種能夠可逆地儲(chǔ)存和釋放能量的分子。這種特殊設(shè)計(jì)的液體含有光響應(yīng)性修飾的嘧啶酮分子，當(dāng)暴露于陽光下時(shí)，每個(gè)分子都會(huì)發(fā)生可逆的結(jié)構(gòu)變化，從低能構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣艿膽?yīng)力構(gòu)型。

你可以把每個(gè)分子想象成一根微型彈簧。當(dāng)受到陽光照射時(shí)，陽光“纏繞”著這根彈簧，迫使分子扭曲成一種富含能量的杜瓦異構(gòu)體。然后，分子會(huì)保持這種狀態(tài)，有時(shí)長達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年，而不會(huì)釋放儲(chǔ)存的能量。

當(dāng)施加催化劑，例如熱或酸時(shí)，分子會(huì)迅速恢復(fù)到原來的形狀，并將儲(chǔ)存的能量以熱的形式釋放出來。

韓阮（Han Nguyen）表示：“我們通常把它描述為可充電太陽能電池。它能儲(chǔ)存陽光，而且可以充電。”

以往的分子太陽能熱能（MOST）系統(tǒng)嘗試都難以與鋰離子電池競爭。降冰片二烯是研究最為深入的候選材料之一，其能量密度最高也只有0.97兆焦/千克左右。

另一種候選材料氮硼烷的能量密度僅為0.65兆焦/千克。它們或許在科學(xué)上很有意思，但卻無法用來實(shí)際應(yīng)用。

而此次，在能量存儲(chǔ)的終極測(cè)試中，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的嘧啶酮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了每公斤約 1.6 兆焦耳的能量密度，大約是標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池（每公斤約 0.9 兆焦耳）的兩倍。

圖說：格蕾絲·韓教授在實(shí)驗(yàn)室工作

來源：UCSB

韓教授團(tuán)隊(duì)取得的關(guān)鍵突破在于將高能量密度轉(zhuǎn)化為實(shí)際成果。在這項(xiàng)研究中，研究人員證明，這種材料釋放的熱量足以將水煮沸——這在以往的該領(lǐng)域是難以實(shí)現(xiàn)的。

研究人員表示：“煮沸水是一個(gè)高能耗的過程。我們能夠在常溫常壓下煮沸水，這是一項(xiàng)巨大的成就?！?/p>

這項(xiàng)技術(shù)為各種實(shí)際應(yīng)用打開了大門，從露營時(shí)的離網(wǎng)供暖到家庭熱水供應(yīng)，均可應(yīng)用。由于這種材料可溶于水，因此可以將其泵入屋頂太陽能集熱器，白天陽光將分子轉(zhuǎn)化為富含能量的形式，然后儲(chǔ)存在水箱中，以便在夜間提供熱能。

“使用太陽能電池板，你需要額外的電池系統(tǒng)來儲(chǔ)存能量，”論文合著者、韓實(shí)驗(yàn)室的博士生本杰明·貝克說?！岸褂梅肿犹柲軣崮艽鎯?chǔ)技術(shù)，材料本身就能儲(chǔ)存太陽光能?！?/p>

除了能夠反復(fù)充放電（扭轉(zhuǎn)和解旋）而不破壞其結(jié)構(gòu)外，該分子還能儲(chǔ)存能量長達(dá)數(shù)月。杜瓦異構(gòu)體極其穩(wěn)定，研究人員計(jì)算得出，其在室溫下計(jì)算出的半衰期長達(dá)481天。這意味著即使在7月的酷暑中充滿電，到1月需要取暖時(shí)，燃料依然能保持滿電狀態(tài)。

因此該技術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用場景是季節(jié)性儲(chǔ)能：該裝置可在夏季充電儲(chǔ)存，并在冬季用于供暖。杜瓦異構(gòu)體還有潛力通過與熱電發(fā)電機(jī)和熱力循環(huán)（渦輪機(jī)）集成來發(fā)電。

由于該系統(tǒng)是由溶解的分子溶液構(gòu)成，因此具有高度可擴(kuò)展性，并且易于集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。增加儲(chǔ)能容量只需使用更多溶液即可。此外，該溶液還可以使用常規(guī)管道進(jìn)行泵送、運(yùn)輸和儲(chǔ)存。正是這一特性使其被譽(yù)為“瓶裝太陽”。

不過，距離將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際家庭供暖還有很長的路要走。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員需要探索能夠吸收更多光譜范圍并更高效地轉(zhuǎn)化為活化態(tài)的分子。

參考材料：

[1]https://news.ucsb.edu/2026/022384/ucsb-scientists-bottle-sun-liquid-battery

[2]https://newatlas.com/energy/molecular-solar-thermal-energy-storage-liquid/

[3]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec6413

[4]https://arstechnica.com/science/2026/02/dna-inspired-molecule-breaks-records-for-storing-solar-heat/

[5]https://www.universityofcalifornia.edu/news/scientists-bottle-sun-liquid-battery

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