研究背景：

由于有機(jī)固液相變材料具有高相變焓、穩(wěn)定的相變溫度、低成本和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，因此他們?cè)诮ㄖ?jié)能、電池?zé)峁芾怼⒐夥M件溫度控制、光熱利用和熱能存儲(chǔ)廣泛應(yīng)用。

并且，基于有機(jī)固液相變材料的光熱轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)，有望克服太陽(yáng)能的間歇性和熱能供需不匹配的問(wèn)題，在太陽(yáng)能應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的前景。然而，固液相變過(guò)程中固有的低熱導(dǎo)率（TC）和易泄漏限制了其廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

研究人員為提高有機(jī)固液相變材料的綜合性能做出了許多努力。提高PCMs TC的主要方法是在PCMs中添加填料，碳基材料（碳納米管、石墨烯、膨脹石墨（EG）、泡沫碳)、金屬泡沫和納米顆粒。同時(shí)，部分TC填料還起到一定的防滲漏、吸收太陽(yáng)光和作為支撐載體等作用。

上海第二工業(yè)大學(xué)邴乃慈副教授和于偉教授合作，以“Energy harvesting and storage blocks based 3D oriented expanded graphite and stearic acid with high thermal conductivity for solar thermal application”為題在《Energy》期刊（IF=7.147）發(fā)表研究性文章。

研究?jī)?nèi)容：

有機(jī)固液相變材料（PCM）的光熱轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)在克服不連續(xù)太陽(yáng)輻射方面顯示出巨大的潛力。然而考慮到制造出色的光熱轉(zhuǎn)換、傳熱和能量存儲(chǔ)的集成設(shè)備仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

文中，作者通過(guò)壓縮誘導(dǎo)石墨片自組裝構(gòu)建3D取向膨脹石墨(EG)，然后加載硬脂酸(SA)以形成取向PCM。在相同的石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)和填充密度下，3D PCM的面內(nèi)熱導(dǎo)率、熱響應(yīng)和儲(chǔ)能密度優(yōu)于非取向PCM。

當(dāng)石墨含量為20wt%時(shí)，定向相變材料的熱導(dǎo)率比非定向相變材料高34.2%，潛熱保持在159.36 J/g以上。

我們進(jìn)一步制備了儲(chǔ)能磚，并協(xié)調(diào)定向EG垂直于銅管軸向的熱傳導(dǎo)。儲(chǔ)能磚的光熱能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.3%，充放電過(guò)程平均功率分別為2.1 kW和2.4 kW。該太陽(yáng)能儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)方法提高了PCMs的光熱轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能效率，為大規(guī)模光熱應(yīng)用提供了一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的策略。

研究結(jié)果：

圖1.構(gòu)建定向3D石墨骨架與EG/SA定向復(fù)合塊的合成示意圖。

圖2.儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖。

圖3.(a)原始EG、(b)3D定向EG、(c)PCM1(S2)和(d)PCM2(S8)的SEM圖像。（SA標(biāo)記為藍(lán)色）。

圖4.SA、EG、PCM1(S2)和PCM2(S8)的(a)XRD光譜和(b)FT-IR光譜。

圖5.純SA、PCM1和PCM2的相變行為。(a)純SA和S8在加熱和冷凍過(guò)程中的DSC曲線(xiàn)。(b)純SA和加熱和冷凍過(guò)程中的DSC曲線(xiàn)。(c)純SA、S2、S8和S10的熔化和凝固潛熱。(d)S2在不同循環(huán)時(shí)間的潛熱。

圖6.PCM1和PCM2在室溫下的熱傳導(dǎo)特性。(a)PCM2的TC隨EG含量的變化而變化(所有復(fù)合材料的堆積密度都控制在0.95 g·m-3的最佳密度)。(b)不同堆積密度的PCM1和PCM2的TC。(c)PCM1和PCM2的TC機(jī)制。(d)不同復(fù)合材料的TC和增強(qiáng)因子比較。

圖7.不同樣品的加熱和冷卻過(guò)程及表面溫度的紅外熱圖像。

圖8.光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試得到的不同樣品的時(shí)間-溫度曲線(xiàn)。(a)樣品光熱轉(zhuǎn)換性能實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(b)從兩個(gè)光熱表面到復(fù)合塊的傳熱示意圖。(c)兩個(gè)光熱表面和純SA表面的全光譜吸收。陰影顯示太陽(yáng)輻射。(d)在100 mW·cm-2光強(qiáng)下，炭黑 3D表面和純SA復(fù)合塊內(nèi)部的溫度分布。(e)在極端日照強(qiáng)度下，PCM1和PCM2的內(nèi)部溫度分布。Journal Pre-proof 21插圖顯示了其潛熱存儲(chǔ)時(shí)間。(f)不同厚度（1 cm、2 cm、4 cm、7 cm）儲(chǔ)能磚的熱性能。插圖顯示了它的能量存儲(chǔ)時(shí)間。

圖9.(a)儲(chǔ)能磚傳熱過(guò)程示意圖和(b)紅外照片。

圖10.(a)和(b)PCM1在不同進(jìn)水溫度下的加熱和冷卻過(guò)程。(c)和(d)在加熱過(guò)程中特定進(jìn)水溫度下ESB1和ESB2的溫度演變。

來(lái)源|Energy，熱質(zhì)納能原文|https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124198