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中科院寧波材料所劉小青研究員團(tuán)隊(duì) CEJ：高效充儲(chǔ)能相變復(fù)合材料
2023-02-23  來源：高分子科技

  基于相變材料（PCM）的儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能密度大、可恒溫蓄熱、穩(wěn)定安全等優(yōu)勢(shì)，可有效解決能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存過程中的間歇性、波動(dòng)性和不均性問題。光熱轉(zhuǎn)換材料與PCM的復(fù)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的便捷獲取與轉(zhuǎn)換，多尺度、多層次、高效光熱通路的構(gòu)建對(duì)提高光熱轉(zhuǎn)換PCM復(fù)合材料的充儲(chǔ)效率至關(guān)重要。


  中科院寧波材料所劉小青研究員一直致力于可持續(xù)熱固性樹脂的應(yīng)用基礎(chǔ)研究（Prog. Polym. Sci., 2021, 113, 101353; Green Chem., 2021, 23, 8643; Chem. Eng. J., 2022, 428,131226; Compos. B: Eng., 2020, 190, 107926）。為了解決熱固性樹脂不能降解、難以回收再利用的問題，通過激光燒蝕的方法將生物基熱固性樹脂轉(zhuǎn)為功能性碳（Adv. Mater., 2022, 2209545; Small, 2022, 18, 2202906; Nano Energy, 2022, 100, 107477; ACS Nano, 2021, 15, 19490-19502），實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物碳的高效利用，擬完成從“生物碳”到“高性能樹脂”再到“功能碳”的閉環(huán)轉(zhuǎn)化。


  近日，該團(tuán)隊(duì)利用激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）技術(shù)在熱固性樹脂基體上構(gòu)筑了“葉脈-葉肉”狀三維石墨烯骨架，制備了具有高儲(chǔ)能密度、多級(jí)傳熱路徑和優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)化效率的復(fù)合相變材料（PLMC）。其中，葉脈狀LIG（v-LIG）具有高光熱轉(zhuǎn)換效率和熱導(dǎo)率，扮演“營(yíng)養(yǎng)/水分傳輸”的角色；葉肉狀LIG（m-LIG）具有高孔隙率，可容納高比例的PCM；同時(shí)，底部未被燒蝕的樹脂可以作為保溫隔層并提供機(jī)械支撐。所得PLMC的潛熱可達(dá)到162.3 J/g，且由于高光熱v-LIG產(chǎn)生的“局部高溫帶動(dòng)周圍升溫”及樹脂層的“減少熱耗散”的協(xié)同作用，PLMN在非集中太陽光下實(shí)現(xiàn)了84.1%的光熱轉(zhuǎn)化效率。 


圖1. 仿生多級(jí)結(jié)構(gòu)相變復(fù)合材料的設(shè)計(jì)思路 


圖2. PLMC的熱耐久性及多級(jí)結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用


  此外，通過理論建模和計(jì)算推測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)多級(jí)結(jié)構(gòu)在傳熱、光熱方面的協(xié)同作用。其中，v-LIG與m-LIG部分的比例接近1比3時(shí)，PLMC能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能密度與能量傳遞速度之間的平衡。通過有限元模擬分析可得，v-LIG能在6秒內(nèi)產(chǎn)生與m-LIG之間高達(dá)5-10 ℃的溫差，并迅速帶動(dòng)整面材料在1分鐘內(nèi)達(dá)到近75 ℃的表面溫度。相比之下，不含樹脂層的PLMC材料在同條件下的表面溫度僅為55 ℃，且拉伸強(qiáng)度僅為PLMC的30%。 


圖3. PLMC的光熱除冰、防護(hù)式熱管理、阻燃性能


  得益于樹脂層的“熱防護(hù)”功效，PLMC可以在電子設(shè)備上實(shí)現(xiàn)被動(dòng)制冷的同時(shí)，有效防止局部升溫可能引起的燙傷。此外，樹脂層的本征阻燃和氧氣隔絕功效也賦予材料離火迅速自熄滅的功能，為阻燃安全型的熱管理材料提供了新的設(shè)計(jì)思路。


  相關(guān)成果以“Design of Phase Change Composite with Hierarchical Energy-Transfer Pathway via Laser-Induced Graphene for Efficient Energy Storage, Conversion, and Utilization” 為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2023.141882）。博士研究生祝欣蓓為論文第一作者，劉敬楷博士和劉小青研究員為共同通訊作者。項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，浙江省自然科學(xué)基金，浙江省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和寧波市自然科學(xué)基金的支持。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723006137

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