東華大學(xué)張圣明、陳仕艷和王華平團(tuán)隊(duì)Small：一步合成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多功能細(xì)菌纖維素基膜材料-實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能-熱能的轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和利用
光熱轉(zhuǎn)換作為太陽(yáng)能利用的重要方向之一，其瞬時(shí)可用性一直限制其應(yīng)用范圍。因此，用最簡(jiǎn)單的方法構(gòu)建具有合理網(wǎng)絡(luò)支撐和低泄漏的復(fù)合光熱相變材料(PCM)，通過(guò)相變材料自身的潛熱實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的長(zhǎng)期轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，對(duì)于解決太陽(yáng)能瞬態(tài)可用性，實(shí)現(xiàn)持久能量輸出具有重要意義。
圖1：交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多功能細(xì)菌纖維素相變膜的一步構(gòu)建和應(yīng)用
近期，東華大學(xué)張圣明博士后、陳仕艷和王華平教授團(tuán)隊(duì)以細(xì)菌纖維素(BC)為載體材料，甲基三甲氧基硅烷(MTMS)為一級(jí)交聯(lián)劑，羥基化碳納米管(HCNT)為二級(jí)交聯(lián)劑和光熱材料，PEG為相變材料，采用最簡(jiǎn)單的一步原位合成法制備了一種具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多功能硅烷化BC/HCNT/PEG (SBTP)復(fù)合光熱膜(圖1)。簡(jiǎn)化了復(fù)合光熱膜的制備流程，實(shí)現(xiàn)了BC網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)，HCNT的優(yōu)良分散性以及PEG分子鏈的直接引入和完美互鎖。因此，最佳的SBTP光熱復(fù)合膜展現(xiàn)優(yōu)異的熱誘導(dǎo)柔韌性、可定制性、改善的機(jī)械性能、可調(diào)節(jié)的親水性和提高的熱導(dǎo)率(圖2)。此外，最佳的SBTP薄膜還表現(xiàn)出145.1 J g?1的高熱焓，超過(guò)94%的焓效率，優(yōu)異的形狀穩(wěn)定性和<1.2%的低泄漏 (圖3)。同時(shí)，它還顯示出超過(guò)80 °C的高光熱轉(zhuǎn)換能力，394 s g?1 的高光熱存儲(chǔ)能力和優(yōu)異的熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性 (圖4)。因此，當(dāng)將其用于太陽(yáng)能-熱能-電能轉(zhuǎn)換時(shí)，SBTP膜在3個(gè)太陽(yáng)照射下可顯示出423 mV的最大輸出電壓，30.26 W m?2的功率密度以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性 (圖5)。更有意義的是，它還可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和LED芯片的熱管理，并將余熱轉(zhuǎn)化為電能，展現(xiàn)出多場(chǎng)景應(yīng)用能力 (圖6)。該工作以“One-Step Synthesis of Multifunctional Bacterial Cellulose Film-Based Phase Change Materials with Cross-Linked Network Structure for Solar–Thermal Energy Conversion, Storage, and Utilization”為題發(fā)表在《Small》期刊上。文章第一作者是東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2021級(jí)博士研究生張冬。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
圖2：熱致柔性，可定制性，機(jī)械強(qiáng)度，改善的親水性和提高的熱導(dǎo)率
圖3：熱能的存儲(chǔ)和形狀穩(wěn)定性
圖4：太陽(yáng)能-熱能的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)
圖5：太陽(yáng)能-熱能-電能的轉(zhuǎn)換
圖6：電子設(shè)備的熱管理與余熱利用
該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于細(xì)菌纖維素基復(fù)合光熱材料相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。此外，細(xì)菌纖維素材料在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)上的應(yīng)用研究一直是該團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)方向研究之一。近幾年，該團(tuán)隊(duì)以細(xì)菌纖維素為基體開(kāi)發(fā)了一系列的復(fù)合光熱轉(zhuǎn)換材料，并將其在光熱海水淡化(Carbohydrate Polymers, 2023, 321, 121324; ACS Applied Materials and Interfaces, 2022, 14(10), 12284–12294; Desalination, 2021, 500, 114899)，光熱溢油回收(Chemical Engineering Journal, 2023, 470, 144436)和光熱存儲(chǔ)(Small 2023, 2307259)等方面實(shí)現(xiàn)了杰出應(yīng)用。同時(shí)，為了更深入的研究細(xì)菌纖維素在能源轉(zhuǎn)換上的應(yīng)用潛力，他們還對(duì)細(xì)菌纖維素材料做了不同的加工，實(shí)現(xiàn)了其在鹽差能到電能上的轉(zhuǎn)換(Nano Energy, 2022, 103, 107786; Nano Energy, 2021, 88, 106275; Nano Energy, 2021, 80, 105554)，以及熱差能到電能上的轉(zhuǎn)換(Nano Energy, 2023, 112, 108482; Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2306509; Nano Letters, 2022, 22(20), 8152–8160)。接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)將對(duì)細(xì)菌纖維素材料在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)上繼續(xù)更深入的探索和研究，歡迎關(guān)注。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307259
