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(jiǎn)介
太陽(yáng)能作為一種可再生能源，因其在解決日益增長(zhǎng)的能源需求和溫室氣體排放方面的巨大潛力受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，太陽(yáng)自身的間歇性和隨機(jī)性大大限制了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存效率。近年來(lái)，基于固-液相變材料的潛熱儲(chǔ)存系統(tǒng)，由于具有高儲(chǔ)熱密度和出色的化學(xué)穩(wěn)定性，有望成為提高太陽(yáng)能吸收和轉(zhuǎn)換的合適方法。但固-液相變材料在實(shí)際應(yīng)用中常受到自身?yè)Q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(yáng)能潛熱儲(chǔ)存領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中一個(gè)解決方法是將多孔載體材料與固-液PCM結(jié)合起來(lái)制備形狀穩(wěn)定的多孔定型復(fù)合相變材料。因此開(kāi)發(fā)具有高太陽(yáng)能吸收性能和高儲(chǔ)能密度的復(fù)合相變材料是太陽(yáng)能熱儲(chǔ)存技術(shù)的關(guān)鍵。
基于此，上海先進(jìn)熱功能材料工程技術(shù)研究中心的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用自組裝技術(shù)與Marangoni效應(yīng)設(shè)計(jì)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(yáng)能吸收性能，光熱轉(zhuǎn)換效率為90.19%。同時(shí)，得益于載體材料的定向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能時(shí)間顯著縮短了610s。
圖1 圖文簡(jiǎn)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(cè)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(guò)程中DSC曲線；（b）理論焓值與實(shí)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(qiáng)機(jī)理圖
圖7 A-rGO/MXene/SA的穩(wěn)定性（a）SA、rGO/SA、rGO/MXene/SA的熱重測(cè)試圖；（b）SA、rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA、A-rGO/MXene/SA泄漏測(cè)試圖
圖8 光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試得到時(shí)間-溫度曲線（a）樣品光熱轉(zhuǎn)換性能實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（b）在1000 W·m-2 光強(qiáng)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(duì)A-rGO/MXene/SA定向結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試得到時(shí)間-溫度曲線（a）樣品光熱轉(zhuǎn)換性能光照測(cè)試示意圖；（b）在1000 W·m-2 光強(qiáng)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(duì)比圖（數(shù)值越大性能越優(yōu)異）
3.小結(jié)
本研究通過(guò)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(wèn)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(chǔ)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(guò)50次加熱和冷卻循環(huán)后，A-rGO/Mxene/SA無(wú)明顯變化。
（3）A-rGO/MXene/SA的光熱轉(zhuǎn)換效率和儲(chǔ)能效率均達(dá)到90.19%。同時(shí)，由于各向異性，其溫度上升速度加快，儲(chǔ)能時(shí)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(chǔ)熱能力以及良好的熱穩(wěn)定性，在太陽(yáng)能應(yīng)用方面顯示出巨大的潛力。
以上成果發(fā)表在中國(guó)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。