综述：用于热化学能量存储和转换的材料：适用于低温环境的特性

《Materials Horizons》：Materials for thermochemical energy storage and conversion: attributes for low-temperature applications

热化学储能（TCES）材料在低温度应用中的性能、挑战及未来方向。本文系统综述了三类低温度TCES材料：盐 hydrate（如MgCl?、K?CO?）、金属有机框架（MOFs）及液体稀释体系（如LiBr-H?O）。重点分析了盐 hydrate的能量密度（最高达3.8 GJ/m3）及稳定性问题，MOFs的高孔隙率与热导率提升潜力，以及液体体系在热管理中的成本优势。比较了不同材料在建筑供暖、制冷及热回收中的应用场景，指出盐 hydrate需解决相变动力学与化学稳定性，MOFs需优化水稳定性与规模化生产，液体体系需平衡能量密度与温度提升。最后提出计算材料发现、多相反应动力学优化及规模化生产作为重点研究方向。

　　热能储存技术是现代能源系统中不可或缺的一部分，其主要目标是通过高效存储和管理热能，提升多个经济领域的能源利用效率。热能可以以多种形式进行储存，包括显热储存、潜热储存和热化学储存。其中，热化学储存因其较高的能量密度而受到广泛关注，但其在反应速率和循环寿命方面仍面临诸多挑战。此外，热化学储存过程涉及多尺度的物理和化学机制，从原子层面的化学键变化到介观尺度的质量和热传导过程，都需要深入研究。本文综述了热化学储存材料的特性，并重点探讨了适用于低温应用的材料，包括固体吸收（如盐水合物、氨盐和甲醇盐）、多孔载体吸附（如沸石和金属-有机框架）以及液体稀释，为热化学储存技术的进一步发展提供了理论和实践依据。

在当今全球能源体系中，热能的使用非常广泛，例如内燃机通过热能转化为机械能，太阳能、地热能和化石燃料燃烧产生的热能用于家庭、办公室和工厂的空气和水的调节。在美国，住宅供暖和制冷占总能源消耗的约10%，而在全球范围内，约66%的能源在使用过程中以热能形式损失。因此，开发能够捕获、管理和再利用热能的技术，对提升能源效率和加快碳中和进程具有重要意义。热能储存（TES）被认为是一种有潜力的技术，预计可将全球能源成本降低5-15%，并减少峰值电力需求13-33%。尽管如此，热能储存系统的开发仍处于初级阶段，主要是由于储存材料在性能上的不足。本文旨在介绍适用于低温热化学储存的材料及其机制，并探讨其在不同应用场景中的优势和局限性，同时指出未来研究的方向。

热化学储存材料的性能受多种因素影响，包括热力学特性、动力学性能以及非技术性因素，如安全、成本和能量密度。在选择合适的材料时，需要综合考虑这些性能指标。例如，能量密度是衡量材料性能的重要参数，它决定了单位体积或质量的热能储存能力。对于低温应用，如住宅供暖、吸附制冷和热湿回收，材料的热力学条件、温度提升能力、反应速率和循环稳定性尤为重要。此外，材料的非技术属性，如毒性和易燃性，也对其在实际应用中的可行性产生重要影响。

盐水合物、氨盐和甲醇盐属于第一类热化学储存材料，它们通过固体吸收气体（如水或氨）形成新的固体，从而实现热能的储存和释放。这些材料在能量密度方面表现出色，但存在诸如熔化、溶解和水解等实际问题。例如，某些盐水合物在加热过程中会溶解，形成高浓度的盐溶液，从而影响其储存性能。此外，这些材料的反应速率和循环寿命也受到限制。相比之下，多孔材料如沸石和金属-有机框架（MOFs）具有较高的吸附能力，但它们在某些情况下可能面临水解等不可逆反应的挑战。MOFs因其高比表面积和可调的孔径，被认为是一种有前景的材料，但其成本和水稳定性仍是需要克服的问题。

在低温热化学储存领域，液体稀释技术也是一种重要的方法。这种技术利用溶质在溶剂中的可逆溶解和沉淀过程，实现热能的储存和释放。例如，LiCl/H?O系统在实验室研究中表现出较高的能量密度，但其温度提升能力有限，导致其在某些应用中不具优势。此外，液体稀释系统在结构设计上需要考虑热和质量传输的效率，以确保其在实际应用中的可行性。

为了进一步提升热化学储存材料的性能，研究者们正在探索新的材料设计和合成方法。例如，通过计算材料学方法，如密度泛函理论（DFT）和经典Grand Canonical Monte Carlo（GCMC）模拟，可以预测和优化材料的热力学性能。这些方法在筛选潜在的热化学储存材料方面显示出巨大潜力，能够帮助研究人员识别具有高能量密度和良好循环稳定性的材料。此外，实验研究也在不断推进，如对MOFs、沸石和盐水合物的性能测试，为实际应用提供了数据支持。

在实际应用中，热化学储存系统需要考虑材料的物理和化学特性，以及系统的整体设计。例如，对于住宅供暖应用，选择具有高能量密度和良好循环稳定性的材料至关重要。同时，材料的毒性、易燃性和成本也是重要的考量因素。在工业和交通领域，热化学储存技术可能用于预热发动机、减少冷启动的能源浪费，以及作为热能再利用的热源。这些应用对材料的反应速率和循环寿命提出了更高的要求，因此需要进一步优化材料的性能。

热化学储存技术的未来发展还面临着多方面的挑战，包括材料的稳定性、反应速率和成本。例如，某些盐水合物在高温或高湿度环境下容易发生水解反应，导致其性能下降。此外，材料的合成和生产成本较高，限制了其大规模应用的可能性。然而，随着计算材料学和实验技术的进步，这些挑战正在逐步得到解决。例如，通过优化MOFs的结构和功能化，可以显著提高其热能储存能力，同时减少其成本和提高其稳定性。

未来的研究方向包括开发新的热化学储存材料，提高现有材料的性能，以及优化系统设计以提高能量密度和反应速率。此外，还需要考虑材料的可持续性和可扩展性，确保其在实际应用中的经济性和环保性。随着全球对可再生能源和碳中和目标的重视，热化学储存技术有望在建筑、工业、交通和电子设备等领域得到更广泛的应用。