微波辅助膨胀石墨增强Mg(OH)2热化学储能体系的脱水动力学与能效优化研究

为解决MgO/Mg(OH)2热化学储能(TCES)系统充电温度高、脱水动力学慢的瓶颈问题，伯明翰大学团队创新性地采用微波辅助加热结合膨胀石墨(EG)添加剂策略。研究表明，2 wt% EG的引入使Mg(OH)2脱水温度从350°C降至300°C，脱水速率提升2倍，每千克物料节能2.89 kWh并减少1.91 kg CO2排放。该研究为工业级中温储热系统提供了高效低碳的再生方案。

　　

在全球能源转型背景下，工业领域100-500°C中温区热能的存储与再利用成为碳中和关键挑战。传统镁基氢氧化物Mg(OH)₂/MgO热化学储能系统虽具备1400 kJ/kg理论储能密度，但存在350°C高脱水温度、长达10小时的反应周期等瓶颈，严重制约其工业应用。更棘手的是，常规电炉加热存在热传导效率低、能量损耗大等问题，而提高温度又会导致MgO产物钝化失活。如何实现低温高效再生，成为该领域亟待突破的科学难题。

伯明翰大学能源存储研究中心(BCES)的Yi Wang团队在《Journal of Energy Storage》发表创新研究，首次将微波辅助加热技术与膨胀石墨(EG)添加剂相结合，成功破解了这一技术困局。研究人员通过精确调控EG在Mg(OH)₂基体中的分散形态，构建三维导热网络与微波吸收热点，在分子尺度上实现了-OH键的高效解离。令人振奋的是，该方法不仅将脱水温度降低50°C，更使反应速率翻倍，同时显著降低系统能耗与碳排放。

研究采用微波马弗炉与常规电炉对比实验，结合SEM显微结构表征和实时能耗监测。通过设计5-40g不同规模样本，系统考察EG含量(2-4 wt%)、加热模式(微波/电炉)和样本质量对脱水动力学的影响，并建立基于碳足迹因子(184.5 kg CO₂/GJ)的能效评估模型。

在"温度对常规加热的影响"部分，研究发现纯Mg(OH)₂在350°C电炉中需>2小时完成脱水，而300°C时转化率不足50%。引入2 wt% EG后，微波加热在300°C下仅需60分钟即实现82%脱水率，较同等条件电炉加热提升64%。"EG负载量的协同效应"揭示，4 wt% EG样品脱水速率较2 wt%组再提升30%，证实EG的微波吸收效率与负载量呈正相关。

"质量效应分析"显示微波技术突破传统热传导限制：40g大样本在微波-EG协同作用下脱水效率与5g样本相当，而电炉处理相同样本时延展达300%。"能耗与排放"数据表明，微波-EG组合使每千克Mg(OH)₂再生能耗降至8.61 kWh，较传统电炉(11.5 kWh)节约25%，相当于减少1.91 kg CO₂排放。

该研究开创性地证明微波选择性加热与EG导热网络的协同机制：EG的高介电常数(ε_r≈16-18)实现微波能向热能的高效转化，而Mg(OH)₂的嵌入结构(2.87介电常数)确保热量精准传递至反应位点。这种"电磁-热-化学"多场耦合作用，为开发新一代智能储热材料提供了全新思路。研究结果对实现工业废热回收、光热电站储能等应用具有重大实践价值，其提出的碳减排量化模型更为TCES系统生命周期评估建立了新标准。