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、環境和生態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）作為儲能介質是實現太陽能高效轉換的重要方法。生物質材料因其來源廣泛、成本低、環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，氣凝膠表現出高比表面積和生產率以及低結構收縮率。三維定向石墨化多孔網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定的孔結構；(ii) CBCA具有優異的吸附能力，可吸附質量為自身數百倍的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的優異特性，3D復合PCMs表現出優異的穩定性、高相變焓、增強的導熱系數、寬帶吸收性能和優異的光熱轉換。在經濟方面，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，而優異的化學和熱可靠性確保長期循環利用，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的熱電元件和集成基于復合相變材料的熱電發電機，來進一步優化光-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，以實現高效太陽能儲存和熱能利用。
以上成果發表在Energy Conversion and Management期刊上，上海第二工業大學碩士研究生吳官正為第一作者，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。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。