環球零碳

碳中和領域的《新青年》

首圖來源：Science Daily

撰文| Bell

編輯 | 小瀾

→這是《環球零碳》的1998篇原創

由于太陽能發電只在白天工作的間歇性，可再生能源一直面臨一個重大挑戰：如何儲存太陽能以供夜間和陰天使用。

加州大學圣巴巴拉分校的研究人員認為，他們可能已經找到了一種無需依賴龐大電池系統或電網的解決方案。

該校教授格蕾絲·韓及其研究團隊最近在《科學》雜志上發表了一項突破性成果，他們開發出一種新型液態儲能分子，可將太陽能以化學鍵形式儲存，需要時再激活，而且能量密度是鋰電池的兩倍。

這項技術被稱為分子太陽能熱能（Molecular Solar Thermal）存儲系統，簡稱MOST。

由于研究人員開發的分子可以直接溶解在水中，這項研究還有一個有趣的稱呼——“瓶裝陽光”。

這個“瓶裝陽光”，跟我國科學家力推的“液態陽光”不太一樣。后者是對于綠色甲醇的形象化比喻，而文中介紹的“瓶裝陽光”，確實是可以被裝起來的液體太陽能電池。

研究團隊開發的核心分子叫做嘧啶酮，它的靈感來源出人意料——DNA。我們的遺傳物質DNA在受到紫外線照射時，有概率產生一種叫做“杜瓦（Dewar）病變”的結構變化。

紫外線用這種方式造成了基因損傷，但科學家們反過來想：如果我們可以模仿這個過程，讓一個類似分子在光照下能夠可逆地改變形狀，不就可以用來儲存和釋放能量了嗎？

嘧啶酮分子在正常狀態下處于一個相對穩定、能量較低的結構。而當它被紫外線照射時，分子內會發生一種“價鍵異構化”反應，變成了一個高度扭曲、充滿張力的Dewar異構體。

圖說：嘧啶酮衍生物的可逆光誘導Dewar異構化

來源：DOI：10.1126/science.aec6413

這個過程就像把一把拉開的弓固定住，能量被儲存在了那根緊繃的“弓弦”里。這個異構體非常穩定，在室溫下的半衰期最長可以達到三年之久，意味著它可以長期保存太陽能而不會自行泄漏。

當需要釋放熱量時，只需要加入一點酸作為催化劑，這個緊張的結構就會瞬間“啪”的一下彈回它原本松弛的嘧啶酮形態，把儲存的能量以熱的形式全部釋放出來。

研究人員通過精妙的設計，讓這個分子在光充電和熱放電之間循環了超過20次，性能幾乎沒有衰減。

這項研究最令人矚目的成果在于它的能量密度。經過優化的1,4,6-三甲基-2-嘧啶酮化合物，每公斤可以儲存1.65兆焦耳的能量。

對比一下，傳統鋰離子電池的能量密度大約是每公斤0.9兆焦耳，而前幾代光儲能材料如降冰片二烯類MOST分子通常也只有0.97左右。

這意味著，這種新型嘧啶酮分子單位重量儲存的能量幾乎是鋰電池的兩倍，也是目前已知所有MOST材料中最高的。

研究團隊是怎么做到的呢？關鍵在于他們對分子做了“減法”。

他們刻意選擇了最小的取代基——甲基，而且只在必要的位置上添加。分子越輕，單位質量能儲存的能量就越高。

同時，他們在分子中引入了氮原子，形成了一條比碳-碳鍵更容易斷裂和重構的碳-氮鍵，這進一步加大了穩定態與亞穩態之間的能量差。

為了證明這個分子不是實驗室里的花架子，研究團隊做了一個非常直觀的實驗。

他們把Dewar異構體溶解在水中，加入鹽酸，結果在短短1.8秒內，溶液溫度飆升了40攝氏度。

他們進一步加大了用量，用107毫克的Dewar分子，在0.46毫升的水中觸發反應，這次水直接沸騰了，溫度上升了76度，并且觀察到了明顯的氣泡產生。

沸騰持續了大約1秒鐘。這是該領域第一次用存儲的太陽能在常溫常壓下煮沸水。

要知道，水具有很高的比熱容和汽化潛熱，把水燒開是非常耗能的。這個實驗直觀地證明了這種分子燃料的能量密度已經達到了可以驅動實際應用的水平。

圖說：光學和紅外圖像顯示了Dewar分子溶液在酸觸發釋放熱量過程中的物理和溫度變化

來源：DOI：10.1126/science.aec6413

這項技術的應用十分具有想象空間。

研究人員表示，由于這種材料可溶于水，未來或許可以在通過屋頂太陽能集熱器搭配儲罐循環利用，為家庭提供熱水和供暖。

白天，陽光照射屋頂集熱器，分子“充能”變成高能量的Dewar形式，然后流入地下室的一個普通儲液罐里。這個儲液罐不需要特殊的保溫措施，因為能量被穩定地鎖在化學鍵中，可以保存數月甚至數年。

到了晚上需要熱水洗澡或者給房間供暖時，只需要讓液體流過一個小小的裝有固體酸催化劑的裝置，分子就會瞬間釋放熱量，通過熱交換器加熱家里的水。

釋放完能量的分子又變回了原來的嘧啶酮，循環回屋頂的管道中，準備迎接第二天的陽光。整個過程不需要任何稀有金屬，材料本身可以反復使用成千上萬次。

“使用太陽能電池板，你需要額外的電池系統來儲存能量；但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?！闭撐暮现卟┦可窘苊鳌へ惪苏f。

圖說：設想中的供熱系統構造

來源：DOI：10.1126/science.aec6413

當然，這項技術距離真正的家用產品還有一段路要走。目前該分子的光吸收主要集中在紫外波段，而太陽光中紫外光只占大約百分之五，這意味著充電效率還需要提升。

研究團隊已經在計算模擬中證明，通過給分子裝上給電子或吸電子的基團，可以將吸收波長紅移到可見光區，從而更高效地利用太陽光譜。

另外，目前實驗中使用的是均相酸催化劑，這會導致鹽的積累，未來需要開發出可重復使用的固體催化劑。這些都是研究團隊正在積極推進的方向。

美國基金會Moore Inventor Fellowship在2025年將這項成果列為重點支持項目，正是看中了它背后那個簡單而有力的愿景：把陽光裝進瓶子里，想用的時候再倒出來即可。

這就像用魔法將陽光變成了液體一樣。人類在科研道路上取得的一個個令人驚喜的發現與突破，何嘗不是一種科技“煉金術”呢？

Reference：

[1]https://www.sciencedaily.com/releases/2026/05/260513221821.htm

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

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

[4]https://news.ucsb.edu/2025/022052/chemist-grace-han-named-moore-inventor-fellow

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