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)行太陽能獲取與轉(zhuǎn)換,在太陽能光熱利用中展現(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) 太陽能-熱-電轉(zhuǎn)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(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