基于多孔載體的有機定性相變材料在一定的工作溫度范圍內，可穩定進行太陽能獲取與轉換，在太陽能光熱利用中展現了良好的特性而備受關注，具有高熱導率、親和性、光子捕獲能力的三維網絡結構在提供良好的光吸收、導熱及光熱轉換性能的同時，可以有效的防止相變材料泄露，可望在太陽能高效光熱利用中展現獨特的優勢。
近日，上海先進熱功能材料工程技術研究中心謝華清教授、于偉教授團隊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絡的聚乙二醇復合相變材料B-GA-PCM。結果表明，三維結構和豐富的官能團大大提高了復合相變材料的穩定性，CNTs和CSs的加入大大提高了PCMs的導熱性和光熱轉換能力。與純PEG相比，熱導率提高了181.58%，光熱轉換效率可達89.3%。通過數值模擬也進一步證實，基于GA的相變復合材料表現出更好的導熱性。此外，三維相變復合材料還應用于熱差發電，在移除光源后300 s內仍可保持35 mV的穩定輸出電壓。相關研究結果如下圖所示：
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的熱導率比較；(b) GA-PCM和B-GA-PCM在加熱板上不同時間點加熱和冷卻階段的紅外相機圖像；(c) 溫度分布云圖
如圖2a所示，純PEG的熱導率約為0.38 W/mK，B-GA-PCM的熱導率增加了181.58%，高于GA-PCM和CNT-GA-PCM。這是因為在B-GA-PCM中，CNTs穿插在GA中，形成一個更好的熱傳導網絡，CSs進一步填補了熱傳導網絡的間隔，并提供了更大的可變區域，這有利于吸附更多的PEG。為了更直觀地比較兩種PCM復合材料的導熱性，應用Ansys19.2對樣品在加熱板上的傳熱性能進行了數值模擬。結果如圖2c所示，B-GA-PCM的傳熱速度明顯高于GA-PCM，驗證了上述實驗結果。
圖3 (a) GA-PCM、B-GA-PCM和PEG的光熱轉化曲線；(b) GA-PCM和B-GA-PCM的光熱轉換效率；(c) 太陽能-熱-電轉換裝置；(d) 移除光源后的電壓變化
在模擬陽光下，B-GA-PCM的溫度升高很快，從25℃升高到50℃僅需200s。此外，連續光照1000s后，B-GA-PCM的溫度達到70℃，遠高于PEG的相變溫度，而純PEG的溫度僅達到43℃，無法達到其熔點。經計算，GA-PCM和B-GA-PCM的光熱轉換效率分別為53.2%和89.3%，證實了CSs和CNTs的引入大大提高了GA-PCM的光熱轉換效率。在太陽能-熱-電轉換測試中，當相變復合材料吸收了大量的光能后，氙氣弧光燈關閉，萬用表上仍能檢測到一段時間的電壓，如圖3d所示。這一現象表明，相變復合材料有效地吸收了光能，并將其轉化為熱能，為熱差發電提供了可能性。
以上成果發表在ACS Applied Energy Materials上，上海第二工業大學研究生包志杰為第一作者，上海第二工業大學能源與材料工程學院邴乃慈副教授、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