ACS APPLIED ENERGY MATERIALS:具有高光熱轉(zhuǎn)換和快速儲(chǔ)放熱性能的三維互穿網(wǎng)絡(luò)復(fù)合相變材料
基于多孔載體的有機(jī)定性相變材料在一定的工作溫度范圍內(nèi)，可穩(wěn)定進(jìn)行太陽(yáng)能獲取與轉(zhuǎn)換，在太陽(yáng)能光熱利用中展現(xiàn)了良好的特性而備受關(guān)注，具有高熱導(dǎo)率、親和性、光子捕獲能力的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在提供良好的光吸收、導(dǎo)熱及光熱轉(zhuǎn)換性能的同時(shí)，可以有效的防止相變材料泄露，可望在太陽(yáng)能高效光熱利用中展現(xiàn)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
近日，上海先進(jìn)熱功能材料工程技術(shù)研究中心謝華清教授、于偉教授團(tuán)隊(duì)采用自組裝定向冷凍干燥制備了含有少量碳納米管（CNTs）和碳球（CSs）的黑色氧化石墨烯氣凝膠 (B-GA)，以其為支撐材料，采用真空浸漬法得到了具有三維互穿網(wǎng)絡(luò)的聚乙二醇復(fù)合相變材料B-GA-PCM。結(jié)果表明，三維結(jié)構(gòu)和豐富的官能團(tuán)大大提高了復(fù)合相變材料的穩(wěn)定性，CNTs和CSs的加入大大提高了PCMs的導(dǎo)熱性和光熱轉(zhuǎn)換能力。與純PEG相比，熱導(dǎo)率提高了181.58%，光熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)89.3%。通過(guò)數(shù)值模擬也進(jìn)一步證實(shí)，基于GA的相變復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的導(dǎo)熱性。此外，三維相變復(fù)合材料還應(yīng)用于熱差發(fā)電，在移除光源后300 s內(nèi)仍可保持35 mV的穩(wěn)定輸出電壓。相關(guān)研究結(jié)果如下圖所示：
圖1 GA-PCM和B-GAPCM制備示意圖
圖2 (a) PEG、GA-PCM、CNT-GA-PCM和B-GA-PCM的熱導(dǎo)率比較；(b) GA-PCM和B-GA-PCM在加熱板上不同時(shí)間點(diǎn)加熱和冷卻階段的紅外相機(jī)圖像；(c) 溫度分布云圖
如圖2a所示，純PEG的熱導(dǎo)率約為0.38 W/mK，B-GA-PCM的熱導(dǎo)率增加了181.58%，高于GA-PCM和CNT-GA-PCM。這是因?yàn)樵贐-GA-PCM中，CNTs穿插在GA中，形成一個(gè)更好的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，CSs進(jìn)一步填補(bǔ)了熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的間隔，并提供了更大的可變區(qū)域，這有利于吸附更多的PEG。為了更直觀地比較兩種PCM復(fù)合材料的導(dǎo)熱性，應(yīng)用Ansys19.2對(duì)樣品在加熱板上的傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果如圖2c所示，B-GA-PCM的傳熱速度明顯高于GA-PCM，驗(yàn)證了上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖3 (a) GA-PCM、B-GA-PCM和PEG的光熱轉(zhuǎn)化曲線；(b) GA-PCM和B-GA-PCM的光熱轉(zhuǎn)換效率；(c) 太陽(yáng)能-熱-電轉(zhuǎn)換裝置；(d) 移除光源后的電壓變化
在模擬陽(yáng)光下，B-GA-PCM的溫度升高很快，從25℃升高到50℃僅需200s。此外，連續(xù)光照1000s后，B-GA-PCM的溫度達(dá)到70℃，遠(yuǎn)高于PEG的相變溫度，而純PEG的溫度僅達(dá)到43℃，無(wú)法達(dá)到其熔點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算，GA-PCM和B-GA-PCM的光熱轉(zhuǎn)換效率分別為53.2%和89.3%，證實(shí)了CSs和CNTs的引入大大提高了GA-PCM的光熱轉(zhuǎn)換效率。在太陽(yáng)能-熱-電轉(zhuǎn)換測(cè)試中，當(dāng)相變復(fù)合材料吸收了大量的光能后，氙氣弧光燈關(guān)閉，萬(wàn)用表上仍能檢測(cè)到一段時(shí)間的電壓，如圖3d所示。這一現(xiàn)象表明，相變復(fù)合材料有效地吸收了光能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能，為熱差發(fā)電提供了可能性。
以上成果發(fā)表在ACS Applied Energy Materials上，上海第二工業(yè)大學(xué)研究生包志杰為第一作者，上海第二工業(yè)大學(xué)能源與材料工程學(xué)院邴乃慈副教授、于偉教授為共同通訊作者。Three-Dimensional Interpenetrating Network Phase-Change Composites with High Photothermal
Conversion and Rapid Heat Storage and Release, https://doi.org/10.1021/acsaem.1c01061