水溶性固态分子太阳能热（MOST）系统：可再生太阳能燃料的新突破

本文报道了一种基于降冰片二烯-四环庚烷（NBD-QC）对的水溶性分子太阳能热（MOST）储能系统，首次实现了高浓度（1.64 M）中性水溶液与固态下的可逆储能，释放温差分别达7.5 K和39.6 K。通过金纳米颗粒催化实现高效能量释放，兼具1.9年储存稳定性与20次循环耐久性，为MOST技术迈向实际应用开辟新途径。

　　

引言

全球能源需求持续增长推动了对可再生能源的探索，其中太阳能因其丰富性成为研究热点。分子太阳能热（MOST）技术通过光诱导异构化反应将光能转化为化学能储存，再通过热释放实现能量利用。降冰片二烯-四环庚烷（NBD-QC）对因其高能量密度（ΔH_storage~20 kcal mol^-1）成为最优候选，但传统有机溶剂体系存在毒性、易燃性及低溶解度（通常<0.1 M）等瓶颈。

合成与表征

研究团队设计合成了四种水溶性NBD衍生物，其中不对称结构的NBD₅表现突出：

• •合成：以苯甲酸衍生物为核，通过酰胺化反应引入(2S,3S,4S,5R)-6-(乙氨基)己烷-1,2,3,4,5-戊醇，获得1.64 M（25°C）的水溶解度，80°C时可达3 M
• •光物理特性：吸收红移至286 nm（QC₅为230 nm），避免光谱重叠，异构化量子产率20%
• •催化转化：金纳米颗粒（Au-NP）使QC₅在150秒内完全回转为NBD₅，速率较传统Au/EC300J催化剂提升50倍

MOST性能验证

溶液相储能：

• •2 M水溶液在太阳能模拟器（300 W氙灯）下实现完全转化，金催化后释放7.5 K温差
• •1 M体系通过调节催化剂比例实现快速（ΔT=4.3 K/310 s）或持续（ΔT=0.7 K/35 min）放热模式

固态应用突破：

• •QC₅晶体在170°C下熔融后释放39.6 K温差（DSC测得ΔH°_storage=16.6 kcal mol^-1）
• •三次固相循环后保留86%活性，首次实现固态可再生太阳能燃料

机制与优势

• •不对称结构增强激发态偶极矩，降低反应能垒（ΔG^?=39.1 kcal mol^-1）
• •半衰期达1.9年，20次溶液循环仅衰减18%
• •中性水相操作避免有机溶剂安全隐患，3 M浓度能量密度媲美传统燃料

结论

该研究通过分子工程突破水溶性限制，建立首个兼具高能量密度、长储存周期与多相态（溶液/固态）应用的MOST系统，为太阳能燃料的实际部署提供关键技术支撑。未来可进一步优化可见光吸收与催化剂效率，推动该技术向规模化发展。