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多元微孔碳基化学储热材料的构筑、性能及机理深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

能源作为人类社会赖以生存和发展的物质基础，在推动经济增长和社会进步中发挥着不可替代的作用。近年来，全球能源需求持续攀升，据英国石油公司（BP）在《BP世界能源展望2020》中的预测，中国2050年能源消费将占全球能源消费的20%以上。与此同时，传统化石能源储量有限且在使用过程中会对环境造成严重污染，这使得发展可再生能源与新能源成为保障国家能源安全和实现可持续发展的关键举措。

然而，大多数清洁能源，如太阳能、风能等，具有波动性、间歇性等特征，存在供能和用能时空不匹配问题。例如，太阳能受昼夜、气候、季节和地理位置的影响，其输出极不稳定；工业余热虽来源广泛，但存在间歇性和分布不均匀的特点，限制了余热回收利用。这些问题严重制约了清洁能源的有效利用，而储能技术则成为解决这一困境的关键。

储热技术作为储能技术的重要组成部分，在解决能源时空分配问题、提高能源利用率方面具有不可替代的作用。在全球能源预算中，约90%的能源围绕热能的转换、传递与储存展开，且全球用户终端需求中热能和冷能约占总能耗的一半，这充分凸显了储热技术的重要地位。目前，储热技术主要包括显热储热、潜热储热和化学储热。显热储热技术成熟、操作简单，通过物质自身温度改变，依靠储热材料的热物理性能来进行热量的存储和释放，水是100℃以内性价比最高的液态显热储热材料，但这类材料储热密度较低，温度变化大，系统占用空间大。潜热储热通过材料在发生相变过程时吸收或放出潜热，相变储热材料可分为有机类、熔融盐类、合金类及复合类等，其中固—液相变材料的储能密度较大，相变过程中体积和温度变化小，是目前的主要研究对象，但其也存在一些局限性，如部分有机相变材料导热系数小、不适于高温场合使用等。

化学储热则是将化学反应热储存在化学物质中，通过吸热反应储存能量，其逆反应放出能量，储热密度约为显热储热的10倍，具有高储热密度的显著优点，可以缩小单位热化学储热单元的体积，从而提高系统的总储热能力，还能够实现热能的长距离传输和长期储存，是21世纪最为重要的储能技术之一。然而，化学储热存在反应过程复杂、设备性能要求高、性价比低等缺点，在实际应用过程中容易出现设备严密性差、材料腐蚀的问题，目前该项技术仍处于早期研究阶段。为了克服这些问题，研发高性能的化学储热材料成为关键。

多元微孔碳基化学储热材料作为一种新型的储热材料，具有独特的优势。碳材料具有高比表面积、良好的化学稳定性和导电性，其多孔结构能够提供更多的活性位点，有利于化学反应的进行，还可以有效提高材料的传热传质效率，增强储热性能。通过合理设计和调控多元微孔碳基材料的孔结构、化学成分等，可以进一步优化其储热性能，使其在提高能源利用率、解决能源时空分配问题上发挥关键作用。在太阳能热利用中，多元微孔碳基化学储热材料可以储存太阳能产生的热量，在夜间或阴天等太阳能不足时释放热量，保证能源的稳定供应；在工业余热回收领域，能够高效储存工业生产过程中产生的余热，并在需要时将其释放用于其他生产环节或生活供热，大大提高了能源的综合利用率。对多元微孔碳基化学储热材料的研发及其机理进行深入研究，对于推动储热技术的发展、促进可再生能源的高效利用、缓解能源危机和环境污染问题具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

在全球积极推动能源转型与可持续发展的大背景下，储热技术作为解决能源时空分配问题、提高能源利用率的关键技术，受到了广泛关注。化学储热凭借其高储热密度、可实现热能长距离传输和长期储存等显著优势，成为储热领域的研究热点之一。而多元微孔碳基化学储热材料，因其独特的多孔结构和碳材料的优良特性，更是吸引了众多科研人员的目光，国内外学者在该领域展开了大量研究。

国外对多元微孔碳基化学储热材料的研究起步较早，在材料的设计、制备与性能优化等方面取得了一系列重要成果。美国、欧洲和日本等国家和地区的科研团队通过对碳材料的微观结构进行精准调控，制备出具有特定孔径分布和高比表面积的微孔碳基材料，并将其应用于化学储热体系中。例如，美国弗吉尼亚理工学院的研究团队通过化学气相沉积（CVD）技术，在碳纳米管表面生长出高度有序的微孔碳结构，显著提高了材料的比表面积和吸附性能，将其与金属盐类储热介质复合后，有效提升了化学储热材料的反应速率和储热密度。欧洲的一些研究机构则致力于开发新型的碳基复合材料制备工艺，通过将纳米级的碳颗粒与有机聚合物进行复合，制备出具有良好柔韧性和热稳定性的化学储热材料，拓宽了多元微孔碳基化学储热材料的应用范围。日本的科研人员在材料的微观结构与性能关系研究方面取得了突破，通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和原子力显微镜（AFM）等先进表征技术，深入研究了微