随着社会经济的发展，化石能源不断消耗。因此可再生能源的开发利用、对减少常规能源能耗，保证能源供给具有十分重要的意义。化学储热技术作为一种提高能源利用率及解决能量供求匹配问题的有效手段，已成为目前热能利用领域的研究热点之一。与传统的显热储热和潜热储热方式相比，化学储热不但在储能密度方面有了指数级的提升，而且在反应体系安全和反应机制优化方面拥有很大优势。但是目前化学储热仍存在储热材料在反应器中传热传质效率不高，储热组分单体水合反应速率普遍较慢，传热性能不佳等问题。化学储热材料作为化学储热核心技术之一，主要可以分为金属氢化物、金属氢氧化物、金属盐氨合物、结晶水合物等，与其他几种化学储热材料相比，结晶水合物具备其独特的优点:首先，通过简单的水合水解可逆反应即可完成储放热，因而反应韵安全系数较高;其次，反应温度一般低于150℃，因此在低温储热领域应用前景广阔。结晶水合物氢氧化锂(LiOH·H2O)拥有很高的储热密度(1440kJ/kg)，且反应条件温和(60℃-120℃)，非常适用于低温化学储热。但其本身同样存在水合速率较慢，导热性能不佳等问题。因而严重制约了其工业化应用。本文从如何有效提高LiOH·H2O水合速率及储热导热性能入手，重点研究了氢氧化锂化学储热材料结构与性能之间的构效关系及其储热机理。主要研究内容及结论如下:　　首先考虑通过改变材料亲水性能来提高氢氧化锂水合反应速率，因此选用了不同种类的亲水材料对氢氧化锂进行表面修饰。研究结果表明，由于亲水材料的加入，LiOH·H2O复合化学储热材料的水解反应活化能明显降低，同时水合速率大幅提高。复合材料储热性能均优于纯LiOH·H2O，这是由于亲水材料的加入在LiOH·H2O储热反应过程中起到了催化剂的作用。在这些储热材料中，LiOH·H2O/13X-zeolite储热密度最高达到1583kJ/kg，LiOH·H2O储热密度到达1949kJ/kg、反应活化能最低达到21.5kJ/mol，这是由于LiOH·H2O颗粒(25-50nm)的纳米表面效应和对水分子的优异吸附性能引起的。对复合化学储热材料的导热性能测试表明亲水材料的加入并未显著改变复合材料导热系数。　　基于亲水材料/氢氧化锂复合化学储热材料研究结果，后选用高亲水性、高导热、高比表面的一维纳米碳材料对氢氧化锂进行进一步修饰。结果表明，碳纳米材料载体(CNSs和MWCNTs)的存在使LiOH·H2O颗粒实现了纳米级分散，并形成不同粒径的纳米颗粒。其中在碳纳米球(CNSs)载体上，氢氧化锂粒径主要集中于20-30nm;在多壁碳纳米管(MWCNTs)载体上，氢氧化锂粒径主要集中于50-100nm。从而使水合反应速率大大提高。复合材料LiOH·H2O/CNSs储热密度为1010kJ/kg，LiOH·H2O储热密度最高达到了2020kJ/kg，远高于纯LiOH·H2O(661kJ/kg)。这是由于纳米碳良好的亲水性、高比表面积和复合储热材料中氢氧化锂纳米颗粒尺寸效应引起的。纳米碳的添加使复合储热材料导热性能有了较好的改善。　　为了进一步筛选出可同步提高氢氧化锂水合反应速率和导热性能的载体材料，在上述研究的基础上，最后重点研究了三维纳米碳氢氧化锂复合化学储热材料的储热性能及其机理，结果表明，表面改性的三维纳米碳管(Ni-CNTs)的添加使得LiOH·H2O在Ni-CNTs-LiOH·H2O复合材料中实现了纳米级分散(5-15nm)。表面改性提高了Ni-CNTs亲水性，进而促使氢氧化锂水合速率实现大幅度提升。复合材料储热密度可达到1085kJ/kg。Ni-CNTs-LiOH·H2O复合材料孔道孔径分别集中于10nm及30nm附近即在纳米尺度下形成了孔径多元分布。高比表面及多元孔径分布是氢氧化锂颗粒实现纳米级分散的重要因素之一。原位红外漫反射光谱表征和TG-DSC结果表明Ni-CNTs表面亲水基团与H2O分子与之间可形成氢键，使水合反应速率增强。由于氢氧化锂实现了纳米级分散在反应中表现出纳米表面效应，使得化学储热活化能显著降低。其中Ni-CNTs-LiOH·H2O-1的活化能最低(23.3kJ/mol)，导热系数最高达到3.78W/m·K，单体储热密度可达到3935kJ/kg，比纯氢氧化锂高5.9倍。三维纳米碳管(Ni-CNTs)的添加使得氢氧化锂水合速率和导热性能得到了同步提升。　　课题组前期在对二维纳米碳氧化石墨烯氢氧化锂复合化学储热材料的研究过程中发现，氧化石墨烯的加入有拓宽材料储热温度范围的作用，但对材料导热性能的提升幅度有限。材料储热温度范围的增大，对于扩展可利用热能的范围，提高热能利用率有着非常积极的作用。而三维纳米碳管(Ni-CNTs)的添加并未起到拓宽材料储热温度范围的作用。因此本文进一步将二维纳米氧化石墨烯三维化，制备出具有高导热高亲水高比表面的三维石墨烯。并利用其对氢氧化锂进行改性。改性后的3D-GF-LiOH·H2O复合化学储热材料结构表征及性能评价结果表明:三维石墨烯的加入有效拓宽了氢氧化锂储热温度范围，使氢氧化锂储热温度由最初的60℃-110℃扩展为30℃-200℃，显著扩展了可利用热能的范围，有效提高热了能利用率。不同三维石墨烯的加入显著影响了氢氧化锂的结构，由于形成了三维多孔碳骨架结构、高比表面及新孔径分布促使氢氧化锂颗粒实现纳米级分散(6nm-10nm)。氢氧化锂颗粒粒径对其水合反应速率和储热密度具有显著影响。三维石墨烯载体表面大量的羟基、羰基和羧基等亲水性基团，为氢氧化锂水合反应提供良好的亲水反应界面，增强材料对水分子的吸附作用，同时添加剂的加入有效增加了复合材料比表面积，使氢氧化锂与水分子接触更充分，水合反应速率得到大幅度提高。与单组分LiOH·H2O化学储热材料相比，3D-GF-LiOH·H2O复合化学储热材料表现出了更优异的储热性能，包括较高的储热密度(1300kJ/kg)、优异的水合反应及导热性能。这主要归因于三维石墨烯独特的内部结构和氢氧化锂之间组合时的协同效应。本文的研究结果可为高性能三维纳米碳-结晶水合物低温化学储热材料的设计及化学储热机理研究、结构与性能的关联提供实验依据和理论指导。