通过活性炭氧化改性提高低湿度条件下的吸附式热储能性能：从基础实验到多尺度模拟及理论预测

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Low-Humidity Sorption Thermal Storage Enhancement via Activated Carbon Oxidative Modification: from Light Experiments to Multiscale Simulations and Theoretical Predictions

吸附热能存储研究提出“光实验-多尺度模拟-热力学模型”策略，通过优化10 wt % H2O2改性使活性炭（AC）在25℃、30-40% RH下热存储密度提升78.8%，并建立跨湿度范围预测模型。

　　

由于具有可逆的热化学储能特性，吸附式热能存储已成为整合可再生能源的关键途径。活性炭（AC）-水蒸气系统在低相对湿度条件下存在热能存储密度不足的核心瓶颈。现有的方法通常依赖于试错法来盲目提升性能，从而导致大量资源浪费。为了解决这一问题，本研究提出了一种创新的“实验-多尺度模拟-热力学模型”策略。该策略旨在量化吸附结构与功能之间的关系，从而根据所需的材料性能目标进行有针对性的物理化学性质设计。实验首次证明，10 wt% 的 H₂O₂ 改性是最佳阈值浓度，在 25 °C 和 30–40% 的相对湿度条件下，可将活性炭（ACF）的热存储密度提高 78.80%。17 ? 的狭缝孔模型能够定性描述水蒸气的吸附趋势。在此基础上，多尺度模拟表明，羧基（具有最强的水吸附能，为 ?58.21 kJ/mol）和羟基（增加吸附位点密度并稳定吸附网络）是增强吸附作用的关键官能团。更重要的是，通过运用 Do–Do 简化模型和 Dubinin-Polanyi 吸附热力学理论，本研究实现了在整个湿度范围内的热存储密度连续预测。这为自上而下的材料设计提供了理论基础和实施路径。本研究开发的资源高效材料设计框架有望应用于制冷、除湿以及大气水收集等领域，这些领域都涉及活性炭-水蒸气吸附系统。