近日，上海先進熱功能材料工程技術研究中心的科研團隊在國際知名期刊Applied Energy（IF=11.446）上在線發表了題為“High energy storage density titanium nitride-pentaerythritol solid–solid composite phase change materials for light-thermal-electric conversion”的研究論文【Applied Energy, 331(2023) 120377】論文是以我課題組研究生駱榮榮為第一作者，我課題組謝華清教授和于偉教授共同指導的成果。
1 成果簡介
為了實現碳中和的目標，如何有效利用太陽能迫在眉睫。選擇相變材料（PCMs）作為儲能介質是實現實際利用的有效途徑，可以解決太陽能的不連續性和不穩定性。固-固PCMs（SS-PCMs）由于其形狀穩定、無相分離、無腐蝕性等優點，引起了人們的關注。在本文中，廉價的原材料季戊四醇（PE）被選為儲能介質，具有局部表面等離子體效應的氮化鈦（TiN）被用作光吸收劑和導熱填料。結果表明，0.2wt%的TiN-復合相變材料（CPCMs）的相變焓仍高達287.8J/g，保持了PE 96.06%的儲能密度，相變溫度為180℃左右，適用于太陽能的中溫利用。此外，0.2wt%的TiN-CPCMs的熱導率提高了109.48%，光熱轉換效率高達90.66%。同時，本文還提出了一種將熱電發電機（TEG）與SS-PCMs相結合的熱電采集器。TiN-CPCMs-TEG系統的平均最大功率比PE-TEG系統高59.26%。系統的總能量也增加了58.99%，這為太陽能的中溫集熱工程應用提供了一些思路。
圖2 圖文摘要
圖3. 系統測試及CPCMs的制備和過程機理
圖4. TiN和CPCMs的微觀表征
圖5. PE和CPCMs的XRD和紅外圖譜
圖6. PE和CPCMs的熱力學性能
圖7. 循環500次后PE和CPCMs的熱力學性能
圖8. PE和CPCMs的光熱性能
圖9. PE和CPCMs的熱導率、吸收圖譜及綜合性能
圖10. PE和CPCMs的阻燃性
圖11. SS-PCM-TEG系統的示意圖。
圖12. 模擬過程中熱發電機的溫度、溫差及最大輸出功率
圖13. 溫度云圖
2 小 結
在這項工作中，TiN-CPCMs通過物理混合和蒸發結晶法制備出高效光熱轉換材料。它在中溫集熱工程應用中顯示出巨大的潛力。具體結論如下：TiN-CPCMs具有較高的儲能密度和相變焓值，表現出良好的熱穩定性和長期可靠性。0.2wt%TiN-CPCMs的相變焓值仍高達287.8J/g，保持了PE的96.06%儲能密度。0.2 wt%的TiN-CPCMs的熱導率達到0.88 W/(m?K)，提高了109.48%，并且其光熱轉換效率達到90.66%。熱電采集器的模擬結果顯示，TiN-CPCMs-TEG系統的平均最大功率比PE-TEG系統高59.26%，系統總能量也增加了58.99%。