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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(shang)海先進(jin)熱功能材料(liao)工程技術研究中心謝(xie)華清(qing)教(jiao)授、于偉教(jiao)授團隊采用自組(zu)裝定向冷(leng)凍(dong)干(gan)燥制備(bei)了含有(you)(you)少量碳納(na)米管（CNTs）和碳球（CSs）的黑色氧化石墨(mo)烯氣凝膠(jiao)(B-GA)，以其為支撐材料(liao)，采用真空(kong)浸漬法得(de)到了具(ju)有(you)(you)三維互穿網(wang)絡的聚乙二醇復(fu)合相變材料(liao)B-GA-PCM。

結果(guo)表(biao)明，三(san)維結構(gou)和豐(feng)富(fu)的(de)(de)官能團大(da)大(da)提(ti)高了(le)復合相(xiang)變(bian)材料(liao)的(de)(de)穩定性，CNTs和CSs的(de)(de)加(jia)入(ru)大(da)大(da)提(ti)高了(le)PCMs的(de)(de)導熱(re)性和光熱(re)轉換(huan)能力。與純(chun)PEG相(xiang)比，熱(re)導率提(ti)高了(le)181.58%，光熱(re)轉換(huan)效率可達89.3%。

通過數值模擬也進一(yi)步(bu)證實，基于GA的(de)相(xiang)變復合(he)材(cai)料表現出(chu)(chu)更好的(de)導熱性。此外(wai)，三維(wei)相(xiang)變復合(he)材(cai)料還應用于熱差發電，在(zai)移除光源后300 s內(nei)仍可保持35 mV的(de)穩(wen)定輸出(chu)(chu)電壓。相(xiang)關研究結果如下圖所(suo)示：

圖1 GA-PCM和B-GAPCM制備示意圖

圖2(a)PEG、GA-PCM、CNT-GA-PCM和(he)B-GA-PCM的熱導率比較；(b)GA-PCM和(he)B-GA-PCM在加熱板上不同(tong)時間點加熱和(he)冷卻階段(duan)的紅外相機圖像；(c)溫度分布云圖

如圖2a所示(shi)，純(chun)PEG的(de)熱導(dao)率(lv)約為0.38 W/mK，B-GA-PCM的(de)熱導(dao)率(lv)增加了181.58%，高于(yu)GA-PCM和CNT-GA-PCM。這(zhe)是因為在B-GA-PCM中，CNTs穿插在GA中，形成一個更(geng)好的(de)熱傳(chuan)導(dao)網絡，CSs進一步填補(bu)了熱傳(chuan)導(dao)網絡的(de)間隔，并提供了更(geng)大的(de)可變區(qu)域(yu)，這(zhe)有利(li)于(yu)吸附更(geng)多的(de)PEG。

為(wei)了(le)更直觀(guan)地(di)比(bi)較兩種PCM復合材料的導熱性，應用Ansys19.2對(dui)樣品在加熱板上的傳(chuan)熱性能進行了(le)數值(zhi)模擬。結(jie)果(guo)如圖2c所示(shi)，B-GA-PCM的傳(chuan)熱速度明顯高于GA-PCM，驗證了(le)上述實(shi)驗結(jie)果(guo)。

圖(tu)3(a)GA-PCM、B-GA-PCM和PEG的(de)光熱(re)轉(zhuan)化(hua)曲線；(b)GA-PCM和B-GA-PCM的(de)光熱(re)轉(zhuan)換(huan)效率(lv)；(c)太陽能-熱(re)-電轉(zhuan)換(huan)裝置；(d)移除光源后的(de)電壓(ya)變(bian)化(hua)

在模擬陽光下，B-GA-PCM的溫度升(sheng)高(gao)很快，從25℃升(sheng)高(gao)到(dao)(dao)50℃僅需200s。此(ci)外，連續(xu)光照(zhao)1000s后，B-GA-PCM的溫度達(da)到(dao)(dao)70℃，遠高(gao)于PEG的相變溫度，而純PEG的溫度僅達(da)到(dao)(dao)43℃，無法達(da)到(dao)(dao)其(qi)熔點(dian)。

經計算(suan)，GA-PCM和B-GA-PCM的光熱轉換效(xiao)率分別為53.2%和89.3%，證實(shi)了(le)CSs和CNTs的引入大大提高了(le)GA-PCM的光熱轉換效(xiao)率。

在太陽能(neng)(neng)-熱(re)-電(dian)轉換測(ce)試中，當相變(bian)復合(he)材(cai)料吸收(shou)了大量的光(guang)(guang)能(neng)(neng)后，氙(xian)氣弧光(guang)(guang)燈關閉，萬(wan)用表上(shang)仍能(neng)(neng)檢測(ce)到一(yi)(yi)段時(shi)間的電(dian)壓，如圖3d所(suo)示。這一(yi)(yi)現象表明，相變(bian)復合(he)材(cai)料有效地(di)吸收(shou)了光(guang)(guang)能(neng)(neng)，并將其(qi)轉化為(wei)熱(re)能(neng)(neng)，為(wei)熱(re)差發電(dian)提(ti)供了可能(neng)(neng)性。

以上成果發表在(zai)ACS Applied Energy Materials上，上海第二(er)工業(ye)大學(xue)研究生包志杰(jie)為第一作者，上海第二(er)工業(ye)大學(xue)能源與材料工程學(xue)院邴乃(nai)慈副教授(shou)、于(yu)偉(wei)教授(shou)為共同通訊(xun)作者。Three-Dimensional Interpenetrating Network Phase-Change Composites with High Photothermal Conversion and Rapid Heat Storage and Release,//doi.org/10.1021/acsaem.1c01061