[发明专利]一种Lewis酸碱加合物饱和溶液的制备和分解工艺及其应用

说明书

本发明公开了一种Lewis酸碱加合物饱和溶液的制备和分解工艺及其应用，制备工艺中：以Lewis碱和Lewis酸为原料，将两者在溶液中或气相中充分混合，得到Lewis酸碱加合物的固体并溶于溶剂制成饱和溶液；分解工艺中：以Lewis酸碱加合物饱和溶液为原料，在一定温度下，Lewis酸碱加合物受热分解，产生体积显著膨胀的Lewis酸、Lewis碱及溶剂的混合物。本发明的饱和溶液在较高的温度下吸收大量的热而分解，在低温下又重新化合而把相应的热量放出来，可用作储热材料；同时，因为分解产生的物质可分别成相，在密闭或半密闭的体系中会造成体系内部压力升高，可以推动涡轮机发电；相对于现有的化学反应储热体系，其分解温度低，便于使用。

技术领域

本发明涉及能量储存与转化的工程技术领域，尤其涉及一种Lewis酸碱加合物饱和溶液的制备和分解工艺及其应用。

背景技术

能量是一切运动的根源。工业革命以来，人类燃烧了大量的化石能源，造成了大气中CO₂含量的持续增高，为了缓解这个问题，也为了解决人类持续增长的能源需求，人们正在开发以太阳能为基础或代表的形形色色的可持续能源。其中之一是通过光热转换使工作介质的温度升高，然后用于加热较冷的空间和物质。近年来，人们也在探索使用光热-热电联产来满足人类的多种需求。

在一些实际应用中，人们也发现在装置的不同部位，存在着冷热不均的现象。例如，在计算机的大脑——CPU上，高的功耗带来了有害的温升，为此我们需要把热量带离CPU；在高速飞行的飞行器上，其头部因为与空气摩擦产生很高的温度，而尾部则温度很低，如果把头部的高热用于尾部空间的加热，即可以保护飞行器头部装置的安全，又能减少尾部加热的能耗。为此，需要具有高热交换效率的介质及相应的换热设施。

所以，上述形形色色的需求需要形形色色的储热介质。例如涉及上千度高温的储热介质可能以熔盐为代表，涉及数百度温度的可能就是水和高压水蒸气，涉及数十度温度的虽然也可使用水作为介质，但是因为水的导热能力较差，在高功率热交换场合就不适合，为此人们开发了基于液态金属(如镓及其合金)、高导热金属(铝、铜)、石墨、石墨烯的导热材料。但是，这些材料存在价格高昂、储热能力差、仍需次级换热手段的问题，在高换热功率场合，这些技术仍不敷使用。

已有研究表明，如果以储能密度(单位质量或体积储存的热量)为指标，显热储能(依靠温度上升储热)不如相变储能(亦称潜热储能，因为储热时温度不变)；相变储能不如化学反应储能。因为显热储能利用的是物质分子或原子热运动，其涉及的作用力为弱的分子间力，其量级为10⁰kJ/mol；相变储能破坏的也是大多属于分子间力的较强的相互作用，其量级为10¹kJ/mol；而化学反应则涉及化学键的断裂，其量级能达到10²kJ/mol。因此，化学反应储能最近受到了重视。

在已有的化学反应储热技术研究中，研究较多的是碳酸盐的高温热解过程，例如：

CaCO₃＝CaO+CO₂ΔH_298K＝178kJ/mol

常压下该反应在900℃左右进行。该反应虽然储热能量密度很高(1.78kJ/g)，但缺点也很明显，反应温度太高。如果使用太阳能，必须使用聚光光热塔。

Lewis碱(能提供孤对电子的化学物质，如氨、水等)与Lewis酸(能接受Lewis碱孤对电子的物质，如质子、金属离子、硼化合物等)或质子酸能在低温下生成Lewis酸碱加合物。因为Lewis酸碱的相互作用形成的配位共价键不如普通共价键强，因此它们能在不太高的温度下分解为原来的酸和碱，也可用于储热或推动涡轮机发电。

理论上，任何物质的热分解温度决定于分解反应的焓变和熵变的比值：

因此，化合反应热效应的增加会显著增加分解温度。使用较弱的Lewis酸碱作用或使用弱的质子酸可以降低分解温度，反之则能提升反应的分解温度。