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基于多孔載體的有機定性相變材料在一定的工作溫度范圍內，可穩定進行太陽能獲取與轉換，在太陽能光熱利用中展現了良好的特性而備受關注，具有高熱導率、親和性、光子捕獲能力的三維網絡結構在提供良好的光吸收、導熱及光熱轉換性能的同時，可以有效的防止相變材料泄露，可望在太陽能高效光熱利用中展現獨特的優勢。

近日，上海先進熱功能材料(liao)工程技術研究中心謝華(hua)清(qing)教授、于偉教授團隊采用自組(zu)裝(zhuang)定向冷凍干(gan)燥制備了含有少量(liang)碳納(na)米(mi)管（CNTs）和碳球（CSs）的(de)黑(hei)色氧(yang)化石墨烯氣凝膠(B-GA)，以其為支(zhi)撐材料(liao)，采用真空浸漬(zi)法得到了具有三維互穿網絡的(de)聚(ju)乙(yi)二醇復合相變材料(liao)B-GA-PCM。

結果表(biao)明，三維結構(gou)和豐富(fu)的官能(neng)團大(da)大(da)提高(gao)了復合(he)相(xiang)變材料(liao)的穩定性(xing)(xing)，CNTs和CSs的加入大(da)大(da)提高(gao)了PCMs的導熱(re)性(xing)(xing)和光熱(re)轉(zhuan)換(huan)能(neng)力。與純PEG相(xiang)比(bi)，熱(re)導率提高(gao)了181.58%，光熱(re)轉(zhuan)換(huan)效率可達89.3%。

通過數值(zhi)模擬(ni)也進一步(bu)證(zheng)實(shi)，基于GA的(de)相變復(fu)合材料(liao)表現出更(geng)好的(de)導熱性。此外，三維相變復(fu)合材料(liao)還應用于熱差發電(dian)，在(zai)移除光源后(hou)300 s內仍可(ke)保持35 mV的(de)穩定輸出電(dian)壓(ya)。相關研究結果如下圖(tu)所(suo)示：

圖1 GA-PCM和B-GAPCM制備(bei)示意(yi)圖

圖(tu)2(a)PEG、GA-PCM、CNT-GA-PCM和(he)B-GA-PCM的熱(re)(re)導率比較；(b)GA-PCM和(he)B-GA-PCM在(zai)加(jia)熱(re)(re)板上不(bu)同時間點加(jia)熱(re)(re)和(he)冷(leng)卻階段(duan)的紅外相機圖(tu)像；(c)溫度分布云(yun)圖(tu)

如圖2a所示，純PEG的(de)(de)熱導率(lv)約為(wei)0.38 W/mK，B-GA-PCM的(de)(de)熱導率(lv)增加了181.58%，高(gao)于GA-PCM和CNT-GA-PCM。這是因(yin)為(wei)在(zai)(zai)B-GA-PCM中，CNTs穿插在(zai)(zai)GA中，形成(cheng)一(yi)個更(geng)好的(de)(de)熱傳(chuan)(chuan)導網(wang)絡(luo)，CSs進(jin)一(yi)步填(tian)補了熱傳(chuan)(chuan)導網(wang)絡(luo)的(de)(de)間隔，并提供了更(geng)大的(de)(de)可變區(qu)域，這有(you)利于吸附更(geng)多的(de)(de)PEG。

為了更直觀地比(bi)較兩(liang)種PCM復合材(cai)料的導熱性，應用Ansys19.2對樣品在加熱板上(shang)的傳熱性能進行了數值模擬(ni)。結果(guo)如圖2c所示，B-GA-PCM的傳熱速(su)度明顯(xian)高于GA-PCM，驗(yan)證了上(shang)述實驗(yan)結果(guo)。

圖3(a)GA-PCM、B-GA-PCM和(he)PEG的光(guang)熱(re)轉(zhuan)化(hua)(hua)曲(qu)線；(b)GA-PCM和(he)B-GA-PCM的光(guang)熱(re)轉(zhuan)換效率；(c)太陽(yang)能-熱(re)-電(dian)轉(zhuan)換裝置；(d)移除光(guang)源(yuan)后(hou)的電(dian)壓變化(hua)(hua)

在模擬陽光下，B-GA-PCM的溫(wen)度(du)(du)升高(gao)很快，從25℃升高(gao)到(dao)50℃僅(jin)需200s。此外，連續光照(zhao)1000s后，B-GA-PCM的溫(wen)度(du)(du)達(da)到(dao)70℃，遠高(gao)于PEG的相變溫(wen)度(du)(du)，而純PEG的溫(wen)度(du)(du)僅(jin)達(da)到(dao)43℃，無法達(da)到(dao)其熔(rong)點。

經(jing)計算，GA-PCM和(he)B-GA-PCM的光(guang)熱(re)轉換效率分別為(wei)53.2%和(he)89.3%，證實了(le)CSs和(he)CNTs的引(yin)入大(da)大(da)提高(gao)了(le)GA-PCM的光(guang)熱(re)轉換效率。

在太陽能-熱-電(dian)轉(zhuan)換測試中，當相(xiang)變(bian)復合材(cai)料吸(xi)收了大量(liang)的(de)光(guang)(guang)能后，氙氣弧(hu)光(guang)(guang)燈關(guan)閉，萬用(yong)表上仍能檢測到一(yi)段時間(jian)的(de)電(dian)壓，如圖3d所示。這一(yi)現象表明，相(xiang)變(bian)復合材(cai)料有效(xiao)地吸(xi)收了光(guang)(guang)能，并將其轉(zhuan)化(hua)為(wei)熱能，為(wei)熱差(cha)發電(dian)提(ti)供(gong)了可能性。

以(yi)上成果發(fa)表在ACS Applied Energy Materials上，上海(hai)第(di)二工業(ye)大(da)學(xue)研究生包(bao)志杰為第(di)一(yi)作者(zhe)，上海(hai)第(di)二工業(ye)大(da)學(xue)能源與(yu)材料工程學(xue)院邴乃慈副教授(shou)(shou)、于偉教授(shou)(shou)為共同通訊作者(zhe)。Three-Dimensional Interpenetrating Network Phase-Change Composites with High Photothermal Conversion and Rapid Heat Storage and Release,//doi.org/10.1021/acsaem.1c01061