寬帶吸收增強的三維定向纖維素基碳氣凝膠復合相變材料用于光-熱-電轉換
1.成果簡介
能源短缺、環(huán)境和生態(tài)問題促使人們關注太陽能的有效利用。使用復合相變材料（PCM）作為儲能介質(zhì)是實現(xiàn)太陽能高效轉換的重要方法。生物質(zhì)材料因其來源廣泛、成本低、環(huán)境友好和天然多孔結構而非常適合太陽能應用。在本研究中，選取纖維素為碳前驅(qū)體。三維(3D)定向纖維素基碳氣凝膠(CBCA)是通過浸漬膨脹、定向冷凍、冷凍干燥和碳化過程構建的。以叔丁醇/去離子水為共溶劑，氣凝膠表現(xiàn)出高比表面積和生產(chǎn)率以及低結構收縮率。三維定向石墨化多孔網(wǎng)絡和石墨烯保證了出色的寬帶吸收、高效的傳熱路徑和有效的儲熱能力。硬脂酸(SA)和石墨烯進行熔融共混，然后通過真空浸漬工藝形成3D復合PCM。復合PCMs的儲熱能力大于96%，其中加入0.5 wt%的石墨烯后具有最高的熱導率1.17 W/（m?K）。而且，最高的光熱轉換效率可以達到90.3%。還具有1.80 mW的最大光-熱-電能轉換輸出功率。這項工作為高效的太陽能存儲和熱能利用提供了一種可行、經(jīng)濟的策略。
2.圖文導讀
圖1 圖文簡介
圖2制備示意圖及BET測試及影響機理
圖3 微觀測試及晶體、化學結構表征
圖4 熱泄漏及形狀穩(wěn)定性測試
圖5 熱性能測試
圖6光-熱及熱-電轉換測試
3.小結
綜上所述，成功地設計并制備了由三維定向纖維素基碳支架 (CBCA) 支持的復合PCM。 CBCA 表現(xiàn)出以下三個特點： (i) 以叔丁醇代替部分水為溶劑，得到的BC氣凝膠具有較高的比表面積和穩(wěn)定的孔結構；(ii) CBCA具有優(yōu)異的吸附能力，可吸附質(zhì)量為自身數(shù)百倍的SA，從而保證了高儲能密度；(iii)出色的寬帶吸收、理想的傳熱路徑以及良好的PCM封裝。基于CBCA的優(yōu)異特性，3D復合PCMs表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性、高相變焓、增強的導熱系數(shù)、寬帶吸收性能和優(yōu)異的光熱轉換。在經(jīng)濟方面，這項工作中使用的主要原材料纖維素廣泛存在且價格低廉，而優(yōu)異的化學和熱可靠性確保長期循環(huán)利用，可以將低品位能源轉化為高品位能源（熱-電）。在日后工作中，可在真空條件下使用高塞貝克系數(shù)的熱電元件和集成基于復合相變材料的熱電發(fā)電機，來進一步優(yōu)化光-熱-電轉換性能。綜上所述，我們的工作為三維復合相變材料提供了一種新的設計思路，以實現(xiàn)高效太陽能儲存和熱能利用。
以上成果發(fā)表在Energy Conversion and Management期刊上，上海第二工業(yè)大學碩士研究生吳官正為第一作者，上海第二工業(yè)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。Title：Three-dimensional directional cellulose-based carbon aerogels composite phase change materials with enhanced broadband absorption for light-thermal-electric conversion，Energy Conversion and Management 256 （2022）115361。