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近日，上海交大制冷與低溫工程研究所教授王如竹和研究員李廷賢領銜的“能源-空氣-水”ITEWA創新團隊（Innovative Team for Energy,Water&Air）與材料學院鄧濤教授跨學科合作，在國際能源領域期刊Nano Energy上發表了題目為“Highly Conductive Phase Change Composites Enabled by Vertically-Aligned Reticulated Graphite Nanoplatelets for High-Temperature Solar Photo/Electro-Thermal Energy Conversion,Harvesting and Storage”的研究論文。論文提出了基于垂直陣列網狀石墨納米骨架的高導熱/導電的功能型相變儲熱復合材料的制備方法和太陽能光/電-熱轉換、收集及存儲的一體化相變儲能裝置的協同強化熱設計新思路。論文第一作者是李廷賢和博士研究生吳閩強，通訊作者是李廷賢、鄧濤和王如竹。

圖1.基于(yu)功能型相變(bian)儲熱(re)復合材(cai)料的太(tai)陽能光/電-熱(re)轉換與(yu)存儲

為(wei)進一(yi)步提(ti)高(gao)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)光-熱(re)(re)相(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)性能(neng)(neng)(neng)和拓(tuo)展相(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)模(mo)式，通過添加吸光材(cai)(cai)(cai)料(liao)和導電(dian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)制備功(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)型(xing)相(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)熱(re)(re)復合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)，進而(er)實現(xian)光/電(dian)-熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)與存(cun)儲(chu)(chu)的(de)(de)一(yi)體化儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)技(ji)術(shu)(shu)成為(wei)研(yan)究熱(re)(re)點。然而(er)，由于缺(que)乏有效(xiao)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)和傳熱(re)(re)耦合(he)設計，導致(zhi)光/電(dian)-熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)時的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)損(sun)失較大，現(xian)有的(de)(de)光/電(dian)-熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)功(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)型(xing)相(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)復合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)具有導熱(re)(re)/導電(dian)系數低(di)、能(neng)(neng)(neng)量(liang)傳輸慢(man)、相(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)溫度低(di)、能(neng)(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)效(xiao)率低(di)的(de)(de)局(ju)限(xian)。因此開發高(gao)性能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)功(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)型(xing)相(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)熱(re)(re)復合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)對發展新型(xing)的(de)(de)高(gao)效(xiao)光-熱(re)(re)、電(dian)-熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)與存(cun)儲(chu)(chu)技(ji)術(shu)(shu)具有重要的(de)(de)研(yan)究意義和應(ying)用價值。

圖2.基于(yu)垂直(zhi)陣列石墨(mo)納米骨(gu)架的(de)高導熱/導電的(de)功能(neng)型相變(bian)材料及光(guang)/電-熱轉換與存儲(chu)

論文(wen)采用壓力誘(you)導自組裝方法(fa)制備了(le)固-固相(xiang)變(bian)(bian)(bian)材(cai)料(liao)(liao)季戊四醇為儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)介質的(de)(de)高(gao)導熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)/導電(dian)的(de)(de)功能(neng)型(xing)相(xiang)變(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)復合(he)材(cai)料(liao)(liao)。通過構(gou)建理論模(mo)型(xing)分析(xi)了(le)相(xiang)變(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)復合(he)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)界面(mian)光-熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換、熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)量損(sun)失、能(neng)量傳(chuan)輸(shu)與(yu)(yu)(yu)(yu)存(cun)(cun)儲(chu)(chu)(chu)過程，采用串/并聯模(mo)型(xing)分析(xi)了(le)集(ji)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)溫(wen)度與(yu)(yu)(yu)(yu)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)驅(qu)動(dong)溫(wen)差的(de)(de)關聯特性。在(zai)此基(ji)礎上提出了(le)旨在(zai)提高(gao)相(xiang)變(bian)(bian)(bian)材(cai)料(liao)(liao)光-熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換效率(lv)和(he)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)力的(de)(de)協(xie)同強(qiang)化策(ce)略，即通過協(xie)調相(xiang)變(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)復合(he)材(cai)料(liao)(liao)內部石墨(mo)納米片陣列(lie)取向(xiang)與(yu)(yu)(yu)(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)光-熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換及熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)量傳(chuan)遞(di)方向(xiang)的(de)(de)一致(zhi)性來降低相(xiang)變(bian)(bian)(bian)材(cai)料(liao)(liao)表面(mian)的(de)(de)集(ji)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)溫(wen)度，從而降低太(tai)陽(yang)能(neng)光-熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換與(yu)(yu)(yu)(yu)存(cun)(cun)儲(chu)(chu)(chu)過程中(zhong)的(de)(de)輻射及對流熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)損(sun)失，提高(gao)太(tai)陽(yang)能(neng)光-熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換存(cun)(cun)儲(chu)(chu)(chu)效率(lv)。同時，該協(xie)同增(zeng)強(qiang)策(ce)略也可提高(gao)相(xiang)變(bian)(bian)(bian)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)電(dian)-熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換效率(lv)與(yu)(yu)(yu)(yu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)量傳(chuan)遞(di)及存(cun)(cun)儲(chu)(chu)(chu)，從而實現(xian)基(ji)于功能(neng)型(xing)相(xiang)變(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)復合(he)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)光-熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換與(yu)(yu)(yu)(yu)存(cun)(cun)儲(chu)(chu)(chu)和(he)可再生能(neng)源(yuan)風/光-電(dian)-熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換與(yu)(yu)(yu)(yu)存(cun)(cun)儲(chu)(chu)(chu)。

圖3基于協同增強(qiang)效(xiao)應(ying)的高效(xiao)光(guang)/電-熱相變儲能

研究工作中所制備(bei)的(de)(de)(de)復合材料(liao)熱(re)(re)導率和電(dian)(dian)(dian)導率在(zai)石墨(mo)納米(mi)片含量(liang)25 wt%時(shi)分別高(gao)達33.5 W/mK和323 S/cm；研究在(zai)上(shang)述基礎上(shang)進一(yi)步提出(chu)了(le)能(neng)(neng)量(liang)收(shou)集與傳輸的(de)(de)(de)協(xie)同(tong)增強(qiang)策略，通(tong)過(guo)協(xie)調(diao)石墨(mo)納米(mi)陣列取向(xiang)與熱(re)(re)能(neng)(neng)傳遞方(fang)向(xiang)或電(dian)(dian)(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)，防止了(le)相(xiang)(xiang)變(bian)材料(liao)的(de)(de)(de)表(biao)面集熱(re)(re)過(guo)熱(re)(re)問題、降低了(le)能(neng)(neng)量(liang)損(sun)失、加(jia)速(su)了(le)相(xiang)(xiang)變(bian)材料(liao)的(de)(de)(de)光(guang)/電(dian)(dian)(dian)-熱(re)(re)能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)、收(shou)集、傳輸與存(cun)儲(chu)(chu)(chu)，從而成功(gong)實現(xian)了(le)無聚光(guang)條件下，相(xiang)(xiang)變(bian)溫(wen)度高(gao)達186 oC的(de)(de)(de)太陽能(neng)(neng)“光(guang)-熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)-傳輸-存(cun)儲(chu)(chu)(chu)”的(de)(de)(de)直接式一(yi)體化高(gao)溫(wen)儲(chu)(chu)(chu)能(neng)(neng)，以(yi)及超低電(dian)(dian)(dian)壓(<0.34 V)驅動的(de)(de)(de)高(gao)效電(dian)(dian)(dian)-熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)與存(cun)儲(chu)(chu)(chu)（>92%）。該工作提出(chu)的(de)(de)(de)基于垂直陣列石墨(mo)納米(mi)骨(gu)架的(de)(de)(de)高(gao)導熱(re)(re)/導電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)(neng)型相(xiang)(xiang)變(bian)材料(liao)和能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)與傳輸的(de)(de)(de)協(xie)同(tong)增強(qiang)方(fang)法(fa)，為相(xiang)(xiang)變(bian)材料(liao)的(de)(de)(de)高(gao)效太陽光(guang)/電(dian)(dian)(dian)-熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)、存(cun)儲(chu)(chu)(chu)和利用提供(gong)了(le)新思路。

王如竹(zhu)領銜(xian)的(de)ITEWA團隊致力于解(jie)決(jue)能源、水、空氣領域(yu)(yu)的(de)前沿基礎性科(ke)(ke)學(xue)問題和關鍵技(ji)術，旨在(zai)通過學(xue)科(ke)(ke)交叉實現材料-器件-系統層面的(de)整體解(jie)決(jue)方案，推動相關領域(yu)(yu)取得突破性進展。近年來(lai)在(zai)Joule、Energy&Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Nano Energy、Energy Storage Materials等(deng)期刊(kan)上發表系列跨學(xue)科(ke)(ke)交叉論文。