顛覆光伏發電？這種神奇液體將陽光裝入瓶中重復使用

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環球零碳

碳中和領域的《新青年》

來源：AI生成

撰文：Penn

編輯：小瀾

→這是《環球零碳》的1892篇原創

自18世紀本杰明·富蘭克林的閃電實驗以來，人類文明就一直對“將閃電裝瓶”的想法充滿好奇。

隨著時間的推移，如今，我們或許將要見證“裝瓶”概念的回歸。加州大學圣巴巴拉分校（UCSB）的科學家們可能已經找到了一種方法，利用杜瓦瓶中的嘧啶酮溶液（Dewar pyrimidone）來“裝瓶”陽光，將太陽能以熱能的形式儲存，從而無需使用電池。

目前，太陽能利用面臨的主要挑戰之一是日落之后的能源供應問題。白天，太陽能電池板捕獲太陽光譜范圍內的能量并將其轉化為可用能源。而到了夜晚或者陰雨天，太陽能電池板則停止了工作。

常見的解決辦法是通過各種儲能方案（最常見的是電池）儲存能量以備后用。然而，大多數此類解決方案體積龐大、結構復雜、價格昂貴，或者在能量存儲和轉換方面效率低下。例如，電池充放電過程中的化學能轉換常常會帶來能量損失。

近日，加州大學圣巴巴拉分校副教授格蕾絲·韓及其團隊研發出一種新型材料，它能能夠捕獲太陽光，將其儲存在化學鍵中，并根據需要以熱能的形式釋放出來。這是一種新型的分子太陽能熱能（MOST）儲能技術，屬于新興的太陽能技術。

相關研究成果已于近日發表在在《科學》雜志上，研究團隊在論文中指出，這種新型材料除了能夠反復充放電（扭轉和解旋）而不破壞其結構外，還能儲存能量長達數月。杜瓦異構體極其穩定，在室溫下計算出的半衰期長達481天。

在能量存儲的終極測試中，加州大學圣巴巴拉分校的嘧啶酮系統實現了每公斤約 1.6 兆焦耳的能量密度，大約是標準鋰離子電池（每公斤約 0.9 兆焦耳）的兩倍。

這意味著該技術能夠將太陽能存儲在可重復使用的液體溶液中，其能量密度高于傳統電池，并有可能改變能源行業儲存能量的方式。

圖說：嘧啶酮杜瓦瓶實現分子太陽能熱能存儲

來源：Science

“這個概念是可重復使用和可回收的，”韓教授研究團隊的博士生、論文第一作者韓阮（Han Nguyen）說。

“想想光致變色太陽鏡。在室內時，鏡片是透明的。走到陽光下，鏡片會自動變暗。回到室內，鏡片又會恢復透明，”韓阮（Han Nguyen）表示。“我們感興趣的正是這種可逆變化。只不過，我們不是想改變顏色，而是想利用同樣的原理來儲存能量，在需要時釋放能量，然后反復利用這種材料。”

盡管幾十年來，分子太陽能熱（MOST）儲能一直被視為一項重大技術，但始終未能真正普及。這些分子要么儲能不足，要么降解過快，要么需要使用有毒溶劑，使其難以實際應用。

為了找到解決這些問題的方法，由加州大學圣巴巴拉分校研究團隊從曬傷造成的基因損傷中汲取靈感。他們的想法是利用類似于紫外線損傷DNA的反應來儲存能量。

當你在海灘上待的時間過長時，高能紫外線會導致DNA中相鄰的堿基連接在一起，形成一種特殊的損傷結構。當這種損傷暴露于更多紫外線時，它會扭曲成一種更奇特的形狀，稱為“杜瓦”異構體。

研究人員意識到，杜瓦異構體本質上是一種分子電池。其具備的回彈效應會釋放大量熱量，這也正是研究團隊一直希望尋找的。

圖說：分子太陽能熱能存儲系統示意圖

來源：Chalmers University of Technology

研究團隊通過合成該結構，創造出一種能夠可逆地儲存和釋放能量的分子。這種特殊設計的液體含有光響應性修飾的嘧啶酮分子，當暴露于陽光下時，每個分子都會發生可逆的結構變化，從低能構型轉變為高能的應力構型。

你可以把每個分子想象成一根微型彈簧。當受到陽光照射時，陽光“纏繞”著這根彈簧，迫使分子扭曲成一種富含能量的杜瓦異構體。然后，分子會保持這種狀態，有時長達數月甚至數年，而不會釋放儲存的能量。

當施加催化劑，例如熱或酸時，分子會迅速恢復到原來的形狀，并將儲存的能量以熱的形式釋放出來。

韓阮（Han Nguyen）表示：“我們通常把它描述為可充電太陽能電池。它能儲存陽光，而且可以充電。”

以往的分子太陽能熱能（MOST）系統嘗試都難以與鋰離子電池競爭。降冰片二烯是研究最為深入的候選材料之一，其能量密度最高也只有0.97兆焦/千克左右。

另一種候選材料氮硼烷的能量密度僅為0.65兆焦/千克。它們或許在科學上很有意思，但卻無法用來實際應用。

而此次，在能量存儲的終極測試中，加州大學圣巴巴拉分校的嘧啶酮系統實現了每公斤約 1.6 兆焦耳的能量密度，大約是標準鋰離子電池（每公斤約 0.9 兆焦耳）的兩倍。

圖說：格蕾絲·韓教授在實驗室工作

來源：UCSB

韓教授團隊取得的關鍵突破在于將高能量密度轉化為實際成果。在這項研究中，研究人員證明，這種材料釋放的熱量足以將水煮沸——這在以往的該領域是難以實現的。

研究人員表示：“煮沸水是一個高能耗的過程。我們能夠在常溫常壓下煮沸水，這是一項巨大的成就。”

這項技術為各種實際應用打開了大門，從露營時的離網供暖到家庭熱水供應，均可應用。由于這種材料可溶于水，因此可以將其泵入屋頂太陽能集熱器，白天陽光將分子轉化為富含能量的形式，然后儲存在水箱中，以便在夜間提供熱能。

“使用太陽能電池板，你需要額外的電池系統來儲存能量，”論文合著者、韓實驗室的博士生本杰明·貝克說。“而使用分子太陽能熱能存儲技術，材料本身就能儲存太陽光能。”

除了能夠反復充放電（扭轉和解旋）而不破壞其結構外，該分子還能儲存能量長達數月。杜瓦異構體極其穩定，研究人員計算得出，其在室溫下計算出的半衰期長達481天。這意味著即使在7月的酷暑中充滿電，到1月需要取暖時，燃料依然能保持滿電狀態。

因此該技術的另一個應用場景是季節性儲能：該裝置可在夏季充電儲存，并在冬季用于供暖。杜瓦異構體還有潛力通過與熱電發電機和熱力循環（渦輪機）集成來發電。

由于該系統是由溶解的分子溶液構成，因此具有高度可擴展性，并且易于集成到現有系統中。增加儲能容量只需使用更多溶液即可。此外，該溶液還可以使用常規管道進行泵送、運輸和儲存。正是這一特性使其被譽為“瓶裝太陽”。

不過，距離將該系統應用于實際家庭供暖還有很長的路要走。要實現這一目標，研究人員需要探索能夠吸收更多光譜范圍并更高效地轉化為活化態的分子。

參考材料：

[1]https://news.ucsb.edu/2026/022384/ucsb-scientists-bottle-sun-liquid-battery

[2]https://newatlas.com/energy/molecular-solar-thermal-energy-storage-liquid/

[3]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec6413

[4]https://arstechnica.com/science/2026/02/dna-inspired-molecule-breaks-records-for-storing-solar-heat/

[5]https://www.universityofcalifornia.edu/news/scientists-bottle-sun-liquid-battery

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