分子太陽能熱系統

生活科學趣談

供暖設備新概念,瑞典液態燃料可儲存太陽熱能18年 – 科技新報發布於2018年11月8日

來聊聊這種可以儲能的同分異構物:降冰片二烯(Norbornadiene,NBD)vs. 四環庚烷(Quadricyclane,QDC)。下圖編號 1~7 都是碳原子,連接在碳原子上的氫原子則省略未標出。

降冰片二烯分子中的 2、3 與 5、6 之間的C=C雙鍵表明它是二烯烴,1、7 、4則建立起亞甲基橋,123456屬於一個環,174也算是一個環,所以降冰片二烯是屬於雙環化合物。中文名稱中的”冰片”是源自 樟腦 或龍腦香在過飽和結晶時於溶液表面所呈現的片狀外觀;”降”則是字首Nor-,這是結構類似物的前綴字,意指去掉甲基 -CH3,比如 Bornylene 去掉環上的甲基之後就是Norbornylene

四環庚烷分子則是降冰片二烯分子中的兩個雙鍵變成單鍵,斷開鍵所產生的 自由基 重組成新的單鍵2-6與3-5,因此會再增加兩個環216與345,故稱為四環。因為7個碳所以稱為庚,每個鍵都是單鍵,所以屬於烷烴。

新聞中提及「紫外光會讓特殊燃料中的分子進入激發態,讓燃料中的碳、氫與氮原子鍵重新排列」,這是藉由 光化學 反應來生成高能量狀態的同分異構物。當需要能量時,再將其催化轉回親體化合物,並以熱能的形式來釋放能量。 研究團隊開發出新型的降冰片二烯衍生物,這項改進分子的設計能提高異構物的儲能穩定性,有助於在夏季日曬充足時儲能然後在冬季時才拿出來轉換。這種降冰片二烯衍生物每公斤可儲能 250Wh,相當於 0.9 MJ/kg,鋰離子電池依正極材料的不同則是 0.36~0.95 MJ/kg

上圖這個衍生物是在降冰片二烯分子中引入芳香基團(苯甲醚)與氰基(-CN),讓吸收光譜有了顯著的紅移,將降冰片烯(NBD)的吸收峰從紫外的 254nm 往可見光區域移動,使得光異構化能夠更有效率被陽光所驅動,這對於提升太陽能的儲存效益是必要的。至於這句「只要添入鈷催化劑,四環庚烷就可以再變回降冰片二烯」,這個催化劑是鈷(II)酞青Cobalt Phthalocyanine ,CoPc),也就是在 酞菁 這個大環的中心塞入二價鈷離子

影片中使用微流體裝置(Quartz Microreactor Chip)讓液態的降冰片二烯衍生物流經其中的通道,照光後即可在出口流出四環庚烷衍生物,這個裝置就如同太陽能熱水器的集熱板

然後將催化劑塗布在影片2’30″處的玻璃管內壁

當須汲取能量時,將四環庚烷衍生物流經管內,催化劑即可將其開環重組,然後從出口流出高溫的液態冰片二烯衍生物溫度可從 21°C 上升到 84°C。

OS:這比太陽能熱水器的熱水還熱,已經可以煮蛋了,不過當舒肥機應該更讚^^