纳米多孔碳原位铸造MgO颗粒增强Mg(OH)2/MgO复合材料的热化学储能性能与耐久性

为解决Mg(OH)2/MgO基热化学储能（TCES）材料因团聚和烧结导致的反应速率下降及循环稳定性差的问题，研究人员通过纳米多孔碳（NC）原位铸造MgO颗粒的策略，设计出高分散性复合结构。该复合材料在60次循环中储能密度仅衰减6.0%，脱水/水合速率显著提升，为太阳能中温储能提供了高性能解决方案。

　　

随着全球对清洁能源需求的激增，太阳能因其储量丰富和环保特性成为能源转型的核心。然而，太阳能的间歇性供给与用能需求之间存在时空错配，亟需高效储能技术弥合这一缺口。热化学储能（TCES）通过可逆化学反应将热能转化为化学势能存储，其能量密度可达显热/潜热储能的5-10倍，尤其适合长期储热和远距离输热。在众多TCES材料中，Mg(OH)₂/MgO体系因理论储能密度高达1389 kJ/kg、成本低廉且环境友好，成为中温（200-400°C）储能的理想候选。但该材料在反复脱水/水合循环中易发生颗粒团聚和烧结，导致反应活性下降和循环寿命缩短，成为制约其实际应用的瓶颈。

针对这一挑战，南京工业大学的研究团队创新性地提出将MgO纳米颗粒原位铸造于纳米多孔碳（NC）孔隙中的结构设计。通过精确调控NC载体孔径（14.1 nm），成功限制MgO颗粒生长并实现均匀分散，最终制备出兼具高反应活性和长循环寿命的NC-MgO复合材料。相关成果发表于《Journal of Energy Storage》，为TCES材料的理性设计提供了新范式。

研究采用煅烧法合成复合材料，通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征微观结构，并利用热重分析（TGA）测试其脱水/水合性能。关键发现包括：1）NC-14.1载体使MgO粒径缩小至纳米级且分布均匀，复合材料中MgO占比达76.3%；2）最优样品水合转化率达98.7%，较纯MgO提升58.9%，脱水速率提高2.3倍；3）60次循环后储能密度仅衰减6.0%，而纯MgO衰减达63.1%；4）复合材料储能密度达946.5 kJ/kg，接近理论值的68%。

该研究首次系统论证了纳米限域效应对MgO烧结抑制的机制：NC孔隙不仅物理隔离活性颗粒，其高导热性还加速了热量传递。相较于传统膨胀石墨（EG）或碳纳米管载体，NC的均一孔径分布更有效维持了MgO的分散稳定性。研究同时发现，载体孔径与MgO前驱体浓度的匹配度对最终性能具有决定性影响，这为后续材料优化提供了明确方向。

此项工作通过巧妙的纳米结构设计，同步解决了TCES材料反应动力学慢和循环稳定性差的行业难题。所开发的复合材料在太阳能热发电、工业余热回收等领域具有广阔应用前景，其设计理念可拓展至其他气固反应储能体系，对推动碳中和目标下的能源结构调整具有重要意义。