天津大学封伟团队 AFM：氧化石墨烯-熔盐复合材料突破高温光热相变储能瓶颈

随着太阳能、风能等可再生能源快速发展，其间歇性与不稳定性成为能源利用的核心难题，高效高温热能存储技术成为突破关键。传统中低温相变材料难以满足热电转换、冶金等高温场景需求，而熔盐虽热稳定性好、相变焓高，却与石墨烯骨架界面相容性极差，易出现盐泄漏、分布不均等问题，严重限制高温光热储能材料发展。

传统高温相变储能材料普遍存在中低温适用、焓值低、高温易泄漏、光热转换效率差等缺陷，而熔盐与石墨烯骨架因界面浸润性差、相容性极差，难以实现稳定复合与高效储能。针对这一关键难题，天津大学封伟教授领导的FOCC研究团队，围绕氧化石墨烯基气凝胶与高温熔盐复合体系展开系统性研究，通过PEG 辅助界面调控 + 定向冷冻-热还原策略，成功构建出兼具高相变焓、超快光热响应、优异高温循环稳定性的石墨烯气凝胶-熔盐（GA/MS）高温光热相变储能材料，突破了熔盐难以在石墨烯多孔骨架内均匀分散、高温易泄漏、界面热阻大等核心瓶颈。该材料在聚光太阳光下实现极速升温与高效光热-相变储能一体化，在太阳能高温储热、光热发电、工业余热回收等场景展现出巨大应用潜力。

2026年4月16日，相关成果以“Graphene Oxide‐Molten Salt Composite Material for High‐Temperature Photothermal Phase Change Energy Storage” 为题，发表于国际权威期刊《Advanced Functional Materials》，为高温光热相变储能材料的设计与实用化提供了全新思路。论文第一作者为天津大学材料学院博士研究生王令航，论文通讯作者为天津大学材料学院封伟教授。

1、石墨烯气凝胶-熔盐复合材料的制备与界面作用机制

传统熔盐与石墨烯气凝胶界面浸润性极差（接触角≈102°），采用真空浸渍、物理渗透等常规方法难以实现均匀复合，易出现盐分布不均、界面空洞、高温泄漏等问题。为解决这一本质矛盾，团队设计并采用PEG 辅助界面工程结合定向冷冻-热还原制备策略：将氧化石墨烯（GO）、三元共晶盐（LiF-NaCl-Li₂CO₃）、PEG 与抗坏血酸钠混合均匀，80℃搅拌形成均一凝胶液，经液氮定向冷冻、冷冻干燥得到前驱体 GA/MS-P，再在氩气氛围下 580℃退火处理，彻底去除 PEG 并实现 GO 还原，最终获得结构稳定的石墨烯气凝胶-熔盐复合相变材料（GA/MS）。

PEG 在体系中发挥关键双功能作用：

• 化学作用：醚氧原子与 GO 表面含氧基团形成氢键，同时与盐中的金属阳离子配位，桥接不相容的两相界面；
• 物理作用：作为分散剂使共晶盐在石墨烯网络中均匀分散与原位嵌入，为后续高温结构演化提供稳定前驱体。

图1. 石墨烯-熔盐复合材料的合成机理及性能

2、复合材料的结构与界面特性

经退火与热循环处理，复合材料形成独特的三维多孔骨架-熔盐内嵌稳定结构：煅烧后 PEG 完全脱除，熔盐相牢固附着于石墨烯骨架，初始晶粒较大且存在轻微团聚；随热循环进行，盐颗粒逐步碎片化、重分布并细化，最终形成致密层状 / 花瓣状纳米结构，紧密镶嵌于微孔中；元素 Mapping 表明，O、Na、F 等元素经循环后分布更均匀，实现盐相的高效限域与稳定约束。

界面浸润性测试显示，熔盐在石墨烯气凝胶表面接触角约 102°，呈非浸润特性，这一特点在高温循环中显著抑制盐泄漏，保障复合材料结构完整性与长期稳定性。

该复合材料展现出优异的热物理与光热转换性能：

• 相变焓突出：初始熔化焓高达531.1 J/g，结晶焓 521.9 J/g，经 50 次热循环后仍保持 93.0% 的潜热，循环稳定性优异；
• 光热响应极速：在聚光太阳光辐照下，25 秒内即可升温至 550℃，光-热转换效率最高可达91.6%；
• 光吸收能力强：复合材料全光谱平均吸收率达92.7%，接近纯石墨烯气凝胶水平，熔盐复合几乎不削弱光吸收性能；
• 热导率显著提升：经 50 次热循环后，热导率由 0.38 W/m・K 提升至 0.67 W/m・K，提升幅度达 76.3%，形成连续高效导热通路；
• 过冷度明显降低：石墨烯骨架提供高效异质形核位点，显著抑制纯熔盐的大过冷现象，提升相变可逆性。

3.热循环调控优化复合材料的热物理与界面稳定性

纯石墨烯气凝胶与熔盐直接复合后，界面结合松散、熔盐晶粒粗大、界面热阻较高，严重制约了复合材料的热导率提升与高温循环稳定性，热循环调控是优化界面结合与晶粒分布的有效手段。传统复合材料未经过循环老化处理，高温下易出现晶粒粗化、盐相迁移、性能快速衰减等问题。基于对石墨烯-熔盐界面作用机制的探究，团队采用高温热循环处理对 GA/MS 复合材料进行结构与性能优化，该过程可打破熔盐粗大晶粒、实现孔道内重分布，同时强化石墨烯骨架与盐相的界面结合。随着热循环次数从 0 次提升至 50 次，复合材料内部界面空隙不断消除，两相结合更紧密，热导率由 0.38 W/m・K 大幅提升至 0.67 W/m・K，提升幅度达 76.3%。为验证热循环调控后复合材料的高温可靠性，团队测试了不同循环次数下的相变焓、熔融 / 结晶行为，并与未循环样品、纯熔盐对比。结果表明，M-50 循环样品的熔融与结晶峰更尖锐规整，过冷度显著降低，50 次循环后仍保留 93.0% 的初始相变潜热，无明显熔盐泄漏。通过 SEM 与锂金属负极界面表征发现，未循环复合材料界面结合松散，而循环优化后盐相均匀镶嵌于骨架中，同时也证明石墨烯-熔盐的高温界面稳定性，仍需依靠三维骨架限域进一步强化。

4.三维石墨烯骨架限域设计优化复合材料高温封装与光热转换性能

利用石墨烯气凝胶三维多孔骨架的物理限域特性，可在高温下保持结构独立性，实现熔盐的稳定封装，同时协同强化光热转换效率，解决传统熔盐相变材料高温泄漏、光吸收弱的核心痛点。借鉴多孔碳基限域储能的设计思路，在石墨烯骨架中构建多级贯通孔道，配合 PEG 辅助界面工程实现熔盐均匀分散，既能依靠三维连通骨架实现快速光热转换与热量传输，又能通过孔道限域抑制高温熔盐迁移、泄漏。考虑到高温封装稳定性与光热性能的平衡，采用定向冷冻-热还原法构筑三维石墨烯多孔骨架，将熔盐原位嵌入孔道内，形成 GA/MS 限域型复合相变材料。该三维限域设计实现双重性能突破：一方面，石墨烯骨架的全光谱高吸收特性赋予复合材料优异光热性能，平均光吸收率达 92.7%，光热转换效率高达 91.6%；另一方面，骨架物理限域与熔盐非浸润特性协同作用，彻底解决高温熔盐泄漏难题。经测试，复合材料在 550℃高温下相变行为稳定、循环耐久性优异，为高温光热相变储能材料的实用化提供了核心结构设计方案。

5.应用场景与实用化验证

该石墨烯气凝胶-熔盐高温光热相变储能材料具备超快光热响应、超高储能密度、优异高温稳定性等核心优势，可完美适配多种高温热能存储与光热利用场景。在聚光太阳能光热发电系统中，材料可快速捕获太阳能并完成相变储热，实现日间储热、夜间持续放热，解决太阳能间歇性难题；在高纬度、沙漠等日照充沛地区，可依托昼夜大温差实现高效储热与恒温供给，为建筑供暖、极端环境热管理提供稳定热源；同时可驱动斯特林发动机完成光热-机械能转换，在航空航天、分布式能源系统中展现巨大潜力；此外，在工业高温余热回收、塔式熔盐太阳能电站等领域，该材料也具备规模化应用前景，为下一代高温太阳能热利用与热能存储技术提供核心材料支撑。

图4.复合材料光热性能测试与功能应用演示图

文献详情

Linghang Wang, Fulai Zhao, Huitao Yu, Ruihao Xia, Zhucheng Jiang, Wei Feng, Graphene Oxide‐Molten Salt Composite Material for High‐Temperature Photothermal Phase Change Energy Storage, Advanced Functional Materials, 2026, e75374

https://doi.org/10.1002/adfm.75374

通讯作者简介：

封伟，天津大学二级教授。1992年本科毕业于西安交通大学高分子材料专业，获工学学士学位，2000年获得西安交通大学电子工程工学博士学位，后在日本大阪大学电子系、清华大学化工系做博士后研究。2004年加入天津大学材料学院高分子系任教授、博士生导师。担任第七、八届教育部科技委学部委员，中国复合材料学会常务理事、导热复合材料分会首任会长，中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事、SAMPE中国大陆总会智能复合材料专委会副主任委员等职。主要从事功能有机碳复合材料，高导热复合材料，光热能转换存储材料，高性能氟化碳材料以及智能响应功能复合材料方向研究。担任国家某能源领域重点项目首席科学家、装备预研-教育部创新团队负责人、天津市131创新团队负责人。封伟教授主持国家自然科学基金重大科研仪器项目、国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年基金项目、国家科技部重点研发等项目50余项。入选国家级科技创新领军人才，科技部中青年创新领军人才，天津市杰出人才，天津市海河英才，天津市青年科技奖、天津市131创新人才第一层次、教育部新世纪优秀人才等计划。是英国皇家化学会会士（FRSC），日本JSPS学术振兴委员会高级访问学者，享受国务院政府特殊津贴。在Chem. Soc. Rev.、Nat. Comm.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表学术文章300余篇。授权中国发明专利100余项，授权国际专利5项。主编和参编英文专著4部，国家十四五国家重点出版物1部。是斯坦福大学全球前2%顶尖科学家、“科睿唯安”全球高被引科学家。以第一获奖人身份获得天津市自然科学一等奖（2023年）、教育部技术发明一等奖（2020年）、天津市技术发明一等奖（2015年和2018年）以及中国复合材料学会科技一等奖（2023）等省部级奖5项。