Science China-Technological Sciences：具有各向異性、高焓和光熱轉(zhuǎn)化的垂直取向石墨烯/MXene復(fù)合相變材料
1.成果簡介
太陽能作為一種可再生能源，因其在解決日益增長的能源需求和溫室氣體排放方面的巨大潛力受到越來越多的關(guān)注。然而，太陽自身的間歇性和隨機性大大限制了太陽能的轉(zhuǎn)換和儲存效率。近年來，基于固-液相變材料的潛熱儲存系統(tǒng)，由于具有高儲熱密度和出色的化學(xué)穩(wěn)定性，有望成為提高太陽能吸收和轉(zhuǎn)換的合適方法。但固-液相變材料在實際應(yīng)用中常受到自身換熱速率低、熔融狀態(tài)泄漏、性能不穩(wěn)定等缺陷的限制。因此，提高和改善固-液相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和光熱轉(zhuǎn)換效率是其在太陽能潛熱儲存領(lǐng)域的研究熱點。其中一個解決方法是將多孔載體材料與固-液PCM結(jié)合起來制備形狀穩(wěn)定的多孔定型復(fù)合相變材料。因此開發(fā)具有高太陽能吸收性能和高儲能密度的復(fù)合相變材料是太陽能熱儲存技術(shù)的關(guān)鍵。
基于此，上海先進熱功能材料工程技術(shù)研究中心的研究團隊通過利用自組裝技術(shù)與Marangoni效應(yīng)設(shè)計制備了垂直排列的還原氧化石墨烯/MXene氣凝膠，并以該氣凝膠為載體封裝硬脂酸制備了垂直排列的還原氧化石墨烯/MXene/硬脂酸多孔定型復(fù)合相變材料。該復(fù)合相變材料具有良好的形狀穩(wěn)定性和熱物性，熱導(dǎo)率可達(dá)1.21W/(m·K)，相變焓為168.25J/g，與純硬脂酸的焓值（173.50 J/g）十分接近。MXene片材的添加改善了復(fù)合材料的太陽能吸收性能，光熱轉(zhuǎn)換效率為90.19%。同時，得益于載體材料的定向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，復(fù)合相變儲能材料的儲能時間顯著縮短了610s。
圖1 圖文簡介
2.圖文信息
圖2 垂直排列的rGO/MXene氣凝膠制備示意圖
圖3 （a-b）A-rGO/Mxene氣凝膠數(shù)碼圖像及抗壓測試圖；（d）MAX的SEM；（e）多層MXene的SEM；（f-i）單層MXene的SEM、TEM；（j）rGO/Mxene的SEM；（k）A-rGO/Mxene的SEM；（l-m）A-rGO/MXene/SA復(fù)合PCM的SEM圖像；（n-q）元素的映射圖像（o）C、（p）O和（q）Ti
圖4 rGO、MXene、SA、復(fù)合相變材料的（a-b）XRD光譜、（c）FTIR光譜和（d）UV-Vis-NIR光譜
圖5 SA、rGO/SA和rGO/MXene/SA的相變行為（a）加熱冷卻過程中DSC曲線；（b）理論焓值與實際焓值；（c）結(jié)晶度；（d）rGO/MXene/SA的50次加熱冷卻循環(huán)DSC圖譜
圖6 A-rGO/MXene/SA的熱傳導(dǎo)特性（a）A-rGO/MXene/SA的導(dǎo)熱率；（b）A-rGO/MXene/SA從50°C冷卻到27 °C的紅外照片；（c）A-rGO/MXene/SA傳熱增強機理圖
圖7 A-rGO/MXene/SA的穩(wěn)定性（a）SA、rGO/SA、rGO/MXene/SA的熱重測試圖；（b）SA、rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA、A-rGO/MXene/SA泄漏測試圖
圖8 光熱轉(zhuǎn)換性能測試得到時間-溫度曲線（a）樣品光熱轉(zhuǎn)換性能實驗裝置示意圖；（b）在1000 W·m-2 光強下，rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA、A-rGO/MXene/SA和純SA復(fù)合塊內(nèi)部的溫度分布；（c）rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA和A-rGO/MXene/SA的光熱轉(zhuǎn)換效率
圖9 針對A-rGO/MXene/SA定向結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換性能測試得到時間-溫度曲線（a）樣品光熱轉(zhuǎn)換性能光照測試示意圖；（b）在1000 W·m-2 光強下，A-rGO/MXene/SA取向面和非取向面內(nèi)部的溫度分布；（c）A-rGO/MXene/SA取向面和非取向面的溫升速率；（d）A-rGO/MXene/SA與其他復(fù)合材料性能對比圖（數(shù)值越大性能越優(yōu)異）
3.小結(jié)
本研究通過在A-rGO氣凝膠中引入MXene納米片層，并將SA包覆到A-rGO氣凝膠中，成功地制備了A-rGO/MXene/SA復(fù)合相變材料。作為載體材料，A-rGO/MXene氣凝膠有效地解決了SA的泄漏問題和較低的導(dǎo)熱系數(shù)，而MXene作為光吸收材料的引入提高了SA的光熱轉(zhuǎn)化和儲能效率。
（1）A-rGO/Mxene/SA的導(dǎo)熱系數(shù)比SA高317.24%，這是由于A-rGO/Mxene的定向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所致。
（2）A-rGO/Mxene/SA的相變熱達(dá)到168.25 J/g，與SA相當(dāng)，經(jīng)過50次加熱和冷卻循環(huán)后，A-rGO/Mxene/SA無明顯變化。
（3）A-rGO/MXene/SA的光熱轉(zhuǎn)換效率和儲能效率均達(dá)到90.19%。同時，由于各向異性，其溫度上升速度加快，儲能時間顯著縮短。
因此，合成的A-rGO/MXene/SA具有各向異性、高的熱焓、較高的光熱轉(zhuǎn)化率和儲熱能力以及良好的熱穩(wěn)定性，在太陽能應(yīng)用方面顯示出巨大的潛力。
以上成果發(fā)表在中國科學(xué)系列期刊Science China-Technological Sciences（SCI二區(qū)）上，上海第二工業(yè)大學(xué)碩士研究生王學(xué)子為第一作者，上海第二工業(yè)大學(xué)能源與材料學(xué)院謝清華教授和于偉教授為共同通訊作者。Title：Vertical orientation
graphene/MXene hybrid phase change materials with anisotropic properties, high
enthalpy and photothermal conversion, Science China-Technological Sciences 65
(2022) 882-892。