[發明專利]一種Lewis酸堿加合物飽和溶液的制備和分解工藝及其應用

在審

• 申請號: 201710803367.0
• 申請日: 2017-09-08
• 公開（公告）號: CN109470070A
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 雷立旭;張書銘
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: F28D20/00
• 分類號: F28D20/00;F03B13/00;C09K5/16
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 景鵬飛

本發明公開了一種Lewis酸堿加合物飽和溶液的制備和分解工藝及其應用，制備工藝中：以Lewis堿和Lewis酸為原料，將兩者在溶液中或氣相中充分混合，得到Lewis酸堿加合物的固體并溶于溶劑制成飽和溶液；分解工藝中：以Lewis酸堿加合物飽和溶液為原料，在一定溫度下，Lewis酸堿加合物受熱分解，產生體積顯著膨脹的Lewis酸、Lewis堿及溶劑的混合物。本發明的飽和溶液在較高的溫度下吸收大量的熱而分解，在低溫下又重新化合而把相應的熱量放出來，可用作儲熱材料；同時，因為分解產生的物質可分別成相，在密閉或半密閉的體系中會造成體系內部壓力升高，可以推動渦輪機發電；相對于現有的化學反應儲熱體系，其分解溫度低，便于使用。

技術領域

本發明涉及能量儲存與轉化的工程技術領域，尤其涉及一種Lewis酸堿加合物飽和溶液的制備和分解工藝及其應用。

背景技術

能量是一切運動的根源。工業革命以來，人類燃燒了大量的化石能源，造成了大氣中CO₂含量的持續增高，為了緩解這個問題，也為了解決人類持續增長的能源需求，人們正在開發以太陽能為基礎或代表的形形色色的可持續能源。其中之一是通過光熱轉換使工作介質的溫度升高，然后用于加熱較冷的空間和物質。近年來，人們也在探索使用光熱-熱電聯產來滿足人類的多種需求。

在一些實際應用中，人們也發現在裝置的不同部位，存在著冷熱不均的現象。例如，在計算機的大腦——CPU上，高的功耗帶來了有害的溫升，為此我們需要把熱量帶離CPU；在高速飛行的飛行器上，其頭部因為與空氣摩擦產生很高的溫度，而尾部則溫度很低，如果把頭部的高熱用于尾部空間的加熱，即可以保護飛行器頭部裝置的安全，又能減少尾部加熱的能耗。為此，需要具有高熱交換效率的介質及相應的換熱設施。

所以，上述形形色色的需求需要形形色色的儲熱介質。例如涉及上千度高溫的儲熱介質可能以熔鹽為代表，涉及數百度溫度的可能就是水和高壓水蒸氣，涉及數十度溫度的雖然也可使用水作為介質，但是因為水的導熱能力較差，在高功率熱交換場合就不適合，為此人們開發了基于液態金屬(如鎵及其合金)、高導熱金屬(鋁、銅)、石墨、石墨烯的導熱材料。但是，這些材料存在價格高昂、儲熱能力差、仍需次級換熱手段的問題，在高換熱功率場合，這些技術仍不敷使用。

已有研究表明，如果以儲能密度(單位質量或體積儲存的熱量)為指標，顯熱儲能(依靠溫度上升儲熱)不如相變儲能(亦稱潛熱儲能，因為儲熱時溫度不變)；相變儲能不如化學反應儲能。因為顯熱儲能利用的是物質分子或原子熱運動，其涉及的作用力為弱的分子間力，其量級為10⁰kJ/mol；相變儲能破壞的也是大多屬于分子間力的較強的相互作用，其量級為10¹kJ/mol；而化學反應則涉及化學鍵的斷裂，其量級能達到10²kJ/mol。因此，化學反應儲能最近受到了重視。

在已有的化學反應儲熱技術研究中，研究較多的是碳酸鹽的高溫熱解過程，例如：

CaCO₃＝CaO+CO₂ΔH_298K＝178kJ/mol

常壓下該反應在900℃左右進行。該反應雖然儲熱能量密度很高(1.78kJ/g)，但缺點也很明顯，反應溫度太高。如果使用太陽能，必須使用聚光光熱塔。

Lewis堿(能提供孤對電子的化學物質，如氨、水等)與Lewis酸(能接受Lewis堿孤對電子的物質，如質子、金屬離子、硼化合物等)或質子酸能在低溫下生成Lewis酸堿加合物。因為Lewis酸堿的相互作用形成的配位共價鍵不如普通共價鍵強，因此它們能在不太高的溫度下分解為原來的酸和堿，也可用于儲熱或推動渦輪機發電。

理論上，任何物質的熱分解溫度決定于分解反應的焓變和熵變的比值：

因此，化合反應熱效應的增加會顯著增加分解溫度。使用較弱的Lewis酸堿作用或使用弱的質子酸可以降低分解溫度，反之則能提升反應的分解溫度。