脂肪族碱金属烷酸盐离子液体作为高温相变材料的性能优化与NaNO3替代潜力研究

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【字体：大中小】 时间：2025年06月16日 来源：Journal of Molecular Liquids 5.3

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　　为解决高温（>300℃）相变材料（PCM）选择有限、腐蚀性强等问题，研究人员合成了四种脂肪族碱金属烷酸盐离子液体（[Na][C2]、[K][C2]等），发现[Na][C2]的相变焓（207.8 J/g）优于NaNO3（175.8 J/g），且腐蚀性更低，成本仅8.6 €/kWh，为聚光太阳能和工业余热回收提供了更优的储热方案。

在全球能源转型背景下，如何高效储存间歇性可再生能源（如太阳能）和工业余热成为关键挑战。尤其在120-350℃的中高温区间，现有相变材料（PCM）如NaNO₃虽被广泛应用，却面临腐蚀性强、体积变化大（8.1%）等问题。更糟的是，有机PCM（如脂肪酸）在此温度下化学稳定性差，而无机盐的泄漏和成本问题同样制约其发展。面对这一技术瓶颈，研究人员将目光投向离子液体（ILs）——一类兼具低挥发性、高热稳定性和结构可调性的熔融盐。

为探索高性能替代材料，研究团队合成了四种脂肪族碱金属烷酸盐离子液体：[Na][C₂]、[K][C₂]、[Na][C₆]和[K][C₆]，并通过核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热法（DSC）等技术系统表征其性能。结果显示，短链离子液体表现尤为突出：[Na][C₂]的相变焓达207.8 J/g，比NaNO₃高18.2%，且体积变化仅3.6%。更关键的是，其腐蚀性显著低于传统硝酸盐，经100次热循环后仍保持稳定。经济性分析表明，[Na][C₂]的储热成本仅8.6 €/kWh，具备工业化潜力。这项发表于《Journal of Molecular Liquids》的研究，为高温储热系统提供了兼具高性能与低成本的解决方案。

主要技术方法
研究通过碱催化酯交换反应合成离子液体（以NaOH/KOH与甲基酯反应），采用¹H/¹³C NMR和FT-IR验证结构纯度，通过DSC测定相变温度与焓值，热重分析（TGA）评估热稳定性，氦气比重仪测量密度，并设计腐蚀实验（碳钢为测试材料）和100次热循环测试。

研究结果

结构表征与纯度：NMR和FT-IR证实所有离子液体结构正确，无杂质峰。
热物理性能：[Na][C₂]相变焓最高（207.8 J/g），[K][C₆]最低（11.6 J/g），且短链化合物热稳定性优于长链（TGA显示分解温度>300℃）。
腐蚀与循环性能：[Na][C₂]对碳钢的腐蚀速率比NaNO₃低40%，100次循环后焓值衰减<5%。
经济分析：基于原料成本估算，[Na][C₂]的储热成本（8.6 €/kWh）接近工业级NaNO₃。

结论与意义
该研究证实脂肪族碱金属烷酸盐离子液体（尤其[Na][C₂]）在高温储热领域具有颠覆性潜力：其高相变焓、低腐蚀性和优异循环稳定性解决了硝酸盐体系的核心痛点，而可控的成本结构进一步推动其产业化。这项工作不仅为聚光太阳能（CSP）和工业余热回收提供了新材料选择，更拓展了离子液体在高温能源应用中的设计思路。未来研究可进一步优化阴离子结构，探索规模化合成路径，加速实际工程应用。

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