成果简介
具有高焓值的有机相变材料（PCM）是理想的储热和放热材料，有望促进热能利用，缓解能源短缺问题。然而，普通有机相变材料固有的吸光性差、导热性差、形状稳定性弱等缺点严重制约了太阳能的吸收、转化和利用。本文，北京化工大学李晓锋 教授、于中振 教授团队在《ACS Sustainable Chem. Eng.》期刊发表名为“High-Quality Anisotropic Graphene Aerogels and Their Thermally Conductive Phase Change Composites for Efficient Solar–Thermal–Electrical Energy Conversion”的论文，研究通过在 2800 °C 下进行单向冷冻、冻干、碳化和石墨化，首次设计出了由预氧化聚丙烯腈（OPAN）/氧化石墨烯（GO）成分制成的高质量各向异性石墨烯气凝胶。
GO成分能有效地诱导OPAN成分的取向和石墨化，并在石墨化过程中将其转化为石墨碳。在用石蜡进行真空辅助浸渍后，得到了一种最佳的导热相变复合材料（PCC），在石墨烯含量为1.07 Vol%的低水平下，其通面导热系数提高到了4.36Wm-1K-1，形状稳定性得到改善，潜热保持率高达99.7%。得益于出色的光吸收和太阳-热转换能力，PCC在太阳-热-电能量转换应用中非常高效，在5kWm-2 的模拟太阳光照射下，输出电压高达1181mV。通过释放存储在PCC中的热能，即使在太阳光停止照射后，它也可以继续为LED灯供电。这项工作为制造具有高潜热保持率的导热PCC提供了一种可行而有效的方法，用于高效的太阳能-热能-电能转换。
图文导读
图1.（a） PG气凝胶及其石蜡相变复合材料的制造示意图。（b,c）PG4的侧视图和（d，e）俯视图SEM图像。（f） PG4的数码照片。
图 2. (a) 在 OPAN/GO 悬浮液中以不同的初始 GO 比率制备的 PG 气凝胶的表观密度。插图显示了不同 PG 气凝胶的尺寸。(b) PG 气凝胶的 XRD 图。(c) PG 气凝胶的 (002) 衍射角和 FWHM 图。(d) PG1、(e) PG2、(f) PG3、(g) PG4 和 (h) PG5 在 2800 °C 石墨化后的拉曼图。(i) PG 气凝胶的平均 ID/IG 值和晶体尺寸。
图3. (a) 未退火的 PG4 和 (b) 1000 °C 退火的 PG4 的拉曼图谱。(c) XPS 图样，以及 (d) 未退火 PG4、PG4-1000 ℃ 和 PG4-2800 ℃ 的平均 ID/IG 值和 C/O 原子比。
图4. (a) PPG 复合材料的纵向和横向导热系数。(b) PiPG 复合材料的导热系数。(c) 石蜡和 PPG 相变复合材料的热重分析曲线。(d) PPG 相变复合材料的残留物质量百分比，以及 (e) 填充物含量和导热率提高效率。(f) PPG4 的热导率和潜热保持率与已报道的 PCC 的比较。红外图像显示石蜡和 PPG4 在同步（g）加热和（h）冷却过程中的热反应。
图 5：石蜡和 PPG 复合物的（a）加热和（b）冷却 DSC 曲线以及（c）相变焓。(d) PPG4 100 次循环的 DSC 曲线。(e) 石蜡和 PPG4 的 TMA 曲线和 (f) 紫外-可见-近红外吸收光谱。(g) 石蜡、(h) PiPG4 和 (i) PPG4 在 2 kW m-2 模拟太阳光照射下的温度-时间曲线。
图6. (a) 当散热器在空气中时，空白、石蜡和覆盖 PPG4 的热电半导体的输出电压。当散热器在水中时，覆盖 PPG4 的热电半导体的输出（b）电压和（c）电流。(d) PPG4 涂层热电的稳定输出功率和 (e) 功率密度。(f) 在 10 kW m-2 太阳光照射下，PPG4 包裹热电半导体的输出电压/电流。(g) 太阳-热-电能转换实验装置示意图。(h) 太阳能模拟器停止后 LED 灯的亮度变化。
小结
为了解决 PCM 导热性差、太阳光吸收能力弱、形状稳定性差等问题，本文构建了高质量的各向异性石墨烯气凝胶，用于容纳石蜡并赋予其更好的导热性、稳定的形状和高效的太阳-热转换能力。通过单向冷冻、冷冻干燥、1000 °C 下碳化和 2800 °C 下石墨化，首次设计出了从 OPAN/GO 成分中提取的导热石墨烯骨架。通过调节初始GO的用量，可以有效抑制在碳化和石墨化过程中得到的石墨烯气凝胶的过度体积收缩，并诱导OPAN向石墨碳的取向和转化，从而大大提高了所得石墨烯气凝胶的石墨烯质量。在用熔化的石蜡进行真空辅助浸渍后，PPG4显示出99.7%的高潜热保持率和4.36W m-1 K-1 的最佳热导率，石墨烯含量较低，仅为1.07vol%。多孔石墨烯骨架还能有效抑制熔化石蜡的泄漏，并赋予其令人满意的形状稳定性。
此外，增强的太阳光吸收能力还赋予了PPG4在太阳能-热能-电能转换应用中的卓越性能。在5kWm-2 的模拟太阳光照射下，覆盖有PPG4的热电材料可获得具有竞争力的 1181 mV 高输出电压和 83.5 mA电流。这项研究表明，太阳能-热能相变复合材料在收集和利用太阳能方面具有广阔的潜力，有利于缓解化石能源短缺和太阳能供需不匹配的问题。
文献:https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c02154
本文来自材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
