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【Angew.Chem.】分子太阳能热存储（MOST）研究：能量密度可达 1.7 MJ/kg 的未来储能方案 ​

文章标题：Molecular Solar Thermal (MOST) Energy Storage—Definitions and Requirements Revisited
通讯作者：Prof. Dr. Hermann A. Wegner
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202520673

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文章概要 ​

引言与研究背景 ​

分子太阳能热存储（Molecular Solar Thermal，MOST）系统在过去五十年经历了起伏的发展。最初的探索始于20世纪中期，但在近十年因能源危机与气候变化的加剧而重新受到关注。该研究由 Dominic Schatz 与 Hermann A. Wegner 撰写，旨在重新梳理 MOST 的定义、术语及其应用前景，并提出“mostophore”这一新概念，用以指代能够吸收光并储存为热能的分子单元。

光的收集与热的存储 ​

太阳能是最丰富的可再生能源，但供需在时间与空间上往往不匹配。传统的储能方式包括：

  • 显热储存：如水的加热，但存在季节性损耗问题。
  • 潜热储存：通过相变过程储能，但受限于材料特性。
  • 化学能储存：如氢气或碳氢化合物的生成，但需要复杂的合成与储存装置。

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MOST 的独特之处在于，它通过光照将分子转化为高能的亚稳态结构，并在需要时释放热能。这一过程是可逆的，且分子本身既是能量收集者，也是储存载体，形成一个封闭系统。

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名称与术语的厘清 ​

论文特别强调了术语的区分：

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  • Solar Thermal Fuels (STFs)：指在光照下生成的高能化合物，需与辅助物质反应才能释放能量。
  • MOST 系统：依赖分子在光照下发生可逆的光异构化反应，直接释放热能。
  • Solar Thermal Batteries (STBs)：更适合用于描述完整装置，而非单一分子或原理。

作者提出“mostophore”这一术语，类似于“chromophore”，用于指代能够通过光照转化为亚稳态并储能的分子核心结构。

MOST 的分子体系与反应机制 ​

研究总结了多种 MOST 分子体系：

  • 环加成反应：如蒽的二聚化、降冰片烯-四环烯体系。
  • 电环化反应：如二氢葵烯-乙烯基七氟烯体系、氮硼杂芳烯体系。
  • 异构化反应：如偶氮苯的 E/Z 转化、钌配合物的异构化。

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这些体系各有优缺点，涉及能量密度、稳定性、透明性等不同性能指标。

MOST 的性能参数 ​

论文将 MOST 的性能参数分为三类：

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  1. 光物理参数：包括吸收光谱匹配、量子产率、光转换效率。
  2. 能量学参数：如热回异构化的活化能、能量密度、能量释放方式。
  3. 器件参数：包括稳定性、溶解性、可泵性、安全性、成本与规模化。

能量密度 ​

MOST 的能量密度可与传统电池相比较。研究指出：

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  • 早期要求最低能量密度为 300 kJ/kg。
  • 现有体系已接近 1 MJ/kg，如三氢氮硼杂芳烯体系。
  • 理论上可达到 1.7 MJ/kg，显示出极大潜力。

光能输入 ​

MOST 分子理想状态下应能吸收整个太阳光谱，但现实中多局限于紫外区。解决方案包括：

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  • 扩展 π 共轭体系。
  • 使用敏化剂提高光能利用率。
  • 通过器件工程实现多层收集或与光伏结合。

热能输出 ​

能量释放方式多样：

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  • 温度触发。
  • 光触发。
  • 催化剂触发（包括磁性纳米颗粒催化）。
  • 电流触发。

不同方式适用于不同应用场景，如日夜循环或季节性储能。

历史与未来展望 ​

MOST 的概念最早由 Weigert 在 1909 年提出，随后在 1980 年由 Yoshida 实现了首个装置。但研究在随后的几十年陷入低潮，直到 2010 年后才重新兴起。近年来，随着新型分子体系的开发与跨学科合作，MOST 已成为国际研究热点。

然而，尽管分子设计取得突破，真正的商业化装置尚未出现。作者强调，未来需要工程师的参与，将实验室成果转化为实际应用。

结论 ​

MOST 技术的独特优势在于：

  • 单一分子即可实现能量收集与储存。
  • 储能时间可灵活调整，无需复杂的隔热措施。
  • 具备移动应用潜力。

随着分子设计与器件工程的不断进步，MOST 有望成为未来可持续能源储存的重要解决方案。

这篇论文不仅梳理了 MOST 的历史与术语，还提出了“mostophore”这一核心概念，并系统总结了性能参数与发展方向。其能量密度已接近甚至超过部分电池体系，显示出在未来能源格局中的巨大潜力。