近日(ri),中國(guo)科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒團隊(dui)開(kai)發(fa)出(chu)新型光熱相變儲能(neng)微膠囊。相關(guan)工作以Phase-Changing Microcapsules Incorporated with Black Phosphorus for Efficient Solar Energy Storage為題發(fa)表在(zai)《先進科學》(Advanced Science)上(shang)。
左圖(tu):光(guang)(guang)熱(re)相變微(wei)(wei)膠(jiao)囊(nang)(nang)太(tai)陽能存(cun)(cun)(cun)儲示意圖(tu);右(you)圖(tu):a,b分別為黑磷在微(wei)(wei)膠(jiao)囊(nang)(nang)表面、內部(bu)掃描(miao)電(dian)鏡表征;c圖(tu)為微(wei)(wei)膠(jiao)囊(nang)(nang)材料光(guang)(guang)熱(re)轉換及(ji)存(cun)(cun)(cun)儲溫度-時(shi)間曲線;d圖(tu)為模擬光(guang)(guang)熱(re)相變微(wei)(wei)膠(jiao)囊(nang)(nang)實際應用效果(guo)圖(tu);e,f圖(tu)為兩種光(guang)(guang)熱(re)相變微(wei)(wei)膠(jiao)囊(nang)(nang)能量(liang)存(cun)(cun)(cun)儲機理圖(tu)。
將(jiang)太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)轉(zhuan)化成熱(re)能(neng)(neng)是當(dang)前太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)利用(yong)的(de)重要方式,在(zai)(zai)海(hai)水淡(dan)化、供暖、建筑以及太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)儲(chu)(chu)(chu)(chu)存系統等領域有著巨大應用(yong)潛(qian)力。相變(bian)材(cai)料(liao)(liao)能(neng)(neng)夠在(zai)(zai)固(gu)液相變(bian)過程中高效儲(chu)(chu)(chu)(chu)存或釋放熱(re)能(neng)(neng),這為解決太(tai)陽(yang)輻照在(zai)(zai)時(shi)間上的(de)不均衡提供了可行性(xing),也可解決晝夜溫差的(de)問題。然而,傳(chuan)統有機相變(bian)材(cai)料(liao)(liao)在(zai)(zai)相變(bian)時(shi)容易發生泄漏,并且無法(fa)(fa)有效吸收太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)。近年來,將(jiang)光(guang)(guang)(guang)熱(re)材(cai)料(liao)(liao)與相變(bian)材(cai)料(liao)(liao)結(jie)合的(de)相變(bian)儲(chu)(chu)(chu)(chu)能(neng)(neng)微膠囊技術逐漸進(jin)(jin)入人們(men)的(de)視(shi)野(ye),光(guang)(guang)(guang)熱(re)材(cai)料(liao)(liao)的(de)引入可直接高效吸收太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)轉(zhuan)化成熱(re)能(neng)(neng),進(jin)(jin)而被(bei)相變(bian)材(cai)料(liao)(liao)儲(chu)(chu)(chu)(chu)存和(he)控釋。但目前技術往(wang)往(wang)只能(neng)(neng)將(jiang)光(guang)(guang)(guang)熱(re)材(cai)料(liao)(liao)和(he)殼(ke)材(cai)結(jie)合,或包裹在(zai)(zai)殼(ke)層中或修(xiu)飾在(zai)(zai)殼(ke)材(cai)表(biao)面,這導致光(guang)(guang)(guang)熱(re)材(cai)料(liao)(liao)產生的(de)大部分熱(re)量在(zai)(zai)殼(ke)材(cai)與外(wai)界(jie)對流(liu)中直接耗散,無法(fa)(fa)有效存儲(chu)(chu)(chu)(chu)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)。
深圳先進院材(cai)料界面(mian)研究中心等建(jian)立了年產300噸的微膠囊中試和產業(ye)平臺。團(tuan)隊(dui)掌(zhang)握了多(duo)種新型無醛微膠囊的工(gong)業(ye)化制備(bei)技術(shu),開發出了熱(re)致(zhi)(zhi)變色(se)、光(guang)致(zhi)(zhi)變色(se)、相變儲能(neng)、光(guang)致(zhi)(zhi)發光(guang)、智能(neng)緩(huan)釋等多(duo)種微膠囊產品,可廣泛應用(yong)于(yu)智能(neng)服裝、穿戴(dai)類、嵌入(ru)式設(she)備(bei)以及醫療(liao)植入(ru)設(she)備(bei)等領域。
在本(ben)項工作中(zhong),團隊設計了一種高效的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)存(cun)儲(chu)(chu)相(xiang)變(bian)(bian)微(wei)(wei)膠囊(nang)(nang)。首先,通過一步法制(zhi)備了PMMA修飾的(de)二(er)(er)(er)維(wei)黑(hei)(hei)(hei)磷(lin)納米片(pian),提升了其在二(er)(er)(er)氯(lv)甲烷(wan)以(yi)及二(er)(er)(er)十烷(wan)中(zhong)的(de)分散性。然(ran)后通過乳化揮(hui)發法,構建了以(yi)高透光(guang)性聚(ju)合物PMMA為(wei)殼(ke)材(cai)(cai),以(yi)光(guang)熱(re)轉換材(cai)(cai)料(liao)二(er)(er)(er)維(wei)黑(hei)(hei)(hei)磷(lin)納米片(pian)和(he)(he)相(xiang)變(bian)(bian)材(cai)(cai)料(liao)二(er)(er)(er)十烷(wan)共為(wei)芯材(cai)(cai)的(de)相(xiang)變(bian)(bian)微(wei)(wei)膠囊(nang)(nang)材(cai)(cai)料(liao)。該相(xiang)變(bian)(bian)微(wei)(wei)膠囊(nang)(nang)具有(you)高潛熱(re)值(180 kJ/kg),表現出(chu)較好的(de)熱(re)穩定性以(yi)及出(chu)色的(de)光(guang)熱(re)轉換和(he)(he)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)存(cun)儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)力。在光(guang)照條件下,微(wei)(wei)膠囊(nang)(nang)內分散良好的(de)二(er)(er)(er)維(wei)黑(hei)(hei)(hei)磷(lin)將吸收太(tai)陽(yang)光(guang)能(neng)(neng)(neng)(neng)轉換的(de)熱(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)直接(jie)傳(chuan)遞給二(er)(er)(er)十烷(wan)進(jin)行存(cun)儲(chu)(chu),和(he)(he)二(er)(er)(er)維(wei)黑(hei)(hei)(hei)磷(lin)在膠囊(nang)(nang)壁材(cai)(cai)外的(de)樣本(ben)相(xiang)比,具有(you)3倍的(de)存(cun)儲(chu)(chu)速率。這(zhe)種光(guang)熱(re)相(xiang)變(bian)(bian)儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)微(wei)(wei)膠囊(nang)(nang)材(cai)(cai)料(liao)在太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)存(cun)儲(chu)(chu)領域擁有(you)應用前景,也為(wei)設計多功能(neng)(neng)(neng)(neng)相(xiang)變(bian)(bian)復合材(cai)(cai)料(liao)提供了新方法。
該研究工作得到了國家自然科(ke)學基金、中科(ke)院前沿科(ke)學重點項目、廣(guang)東(dong)省特支計(ji)劃(hua)等項目的支持。