光熱轉換作為太陽能利用的重要方向之一，其瞬時可用性一直限制其應用范圍。因此，用最簡單的方法構建具有合理網絡支撐和低泄漏的復合光熱相變材料(PCM)，通過相變材料自身的潛熱實現太陽能的長期轉換和存儲，對于解決太陽能瞬態可用性，實現持久能量輸出具有重要意義。
圖1：交聯網絡結構多功能細菌纖維素相變膜的一步構建和應用
近期，東華大學張圣明博士后、陳仕艷和王華平教授團隊以細菌纖維素(BC)為載體材料，甲基三甲氧基硅烷(MTMS)為一級交聯劑，羥基化碳納米管(HCNT)為二級交聯劑和光熱材料，PEG為相變材料，采用最簡單的一步原位合成法制備了一種具有交聯網絡結構的多功能硅烷化BC/HCNT/PEG (SBTP)復合光熱膜(圖1)。簡化了復合光熱膜的制備流程，實現了BC網絡的增強，HCNT的優良分散性以及PEG分子鏈的直接引入和完美互鎖。因此，最佳的SBTP光熱復合膜展現優異的熱誘導柔韌性、可定制性、改善的機械性能、可調節的親水性和提高的熱導率(圖2)。此外，最佳的SBTP薄膜還表現出145.1 J g?1的高熱焓，超過94%的焓效率，優異的形狀穩定性和<1.2%的低泄漏 (圖3)。同時，它還顯示出超過80 °C的高光熱轉換能力，394 s g?1 的高光熱存儲能力和優異的熱存儲穩定性 (圖4)。因此，當將其用于太陽能-熱能-電能轉換時，SBTP膜在3個太陽照射下可顯示出423 mV的最大輸出電壓，30.26 W m?2的功率密度以及優異的循環穩定性 (圖5)。更有意義的是，它還可以應用于太陽能電池和LED芯片的熱管理，并將余熱轉化為電能，展現出多場景應用能力 (圖6)。該工作以“One-Step Synthesis of Multifunctional Bacterial Cellulose Film-Based Phase Change Materials with Cross-Linked Network Structure for Solar–Thermal Energy Conversion, Storage, and Utilization”為題發表在《Small》期刊上。文章第一作者是東華大學材料科學與工程學院2021級博士研究生張冬。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
圖2：熱致柔性，可定制性，機械強度，改善的親水性和提高的熱導率
圖3：熱能的存儲和形狀穩定性
圖4：太陽能-熱能的轉換與存儲
圖5：太陽能-熱能-電能的轉換
圖6：電子設備的熱管理與余熱利用
該工作是團隊近期關于細菌纖維素基復合光熱材料相關研究的最新進展之一。此外，細菌纖維素材料在能源轉換與存儲上的應用研究一直是該團隊的重點方向研究之一。近幾年，該團隊以細菌纖維素為基體開發了一系列的復合光熱轉換材料，并將其在光熱海水淡化(Carbohydrate Polymers, 2023, 321, 121324; ACS Applied Materials and Interfaces, 2022, 14(10), 12284–12294; Desalination, 2021, 500, 114899)，光熱溢油回收(Chemical Engineering Journal, 2023, 470, 144436)和光熱存儲(Small 2023, 2307259)等方面實現了杰出應用。同時，為了更深入的研究細菌纖維素在能源轉換上的應用潛力，他們還對細菌纖維素材料做了不同的加工，實現了其在鹽差能到電能上的轉換(Nano Energy, 2022, 103, 107786; Nano Energy, 2021, 88, 106275; Nano Energy, 2021, 80, 105554)，以及熱差能到電能上的轉換(Nano Energy, 2023, 112, 108482; Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2306509; Nano Letters, 2022, 22(20), 8152–8160)。接下來，團隊將對細菌纖維素材料在能源轉換與存儲上繼續更深入的探索和研究，歡迎關注。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307259
