光热转换效率可达89.3%！国内研发团队成功制备三维互穿网络复合相变材料

基于多孔载体的有机定性相变材料在一定的工作温度范围内，可稳定进行太阳能获取与转换，在太阳能光热利用中展现了良好的特性而备受关注，具有高热导率、亲和性、光子捕获能力的三维网络结构在提供良好的光吸收、导热及光热转换性能的同时，可以有效的防止相变材料泄露，可望在太阳能高效光热利用中展现独特的优势。

近日，上海先进热功能材料工程技术研究中心谢华清教授、于伟教授团队采用自组装定向冷冻干燥制备了含有少量碳纳米管（CNTs）和碳球（CSs）的黑色氧化石墨烯气凝胶(B-GA)，以其为支撑材料，采用真空浸渍法得到了具有三维互穿网络的聚乙二醇复合相变材料B-GA-PCM。

结果表明，三维结构和丰富的官能团大大提高了复合相变材料的稳定性，CNTs和CSs的加入大大提高了PCMs的导热性和光热转换能力。与纯PEG相比，热导率提高了181.58%，光热转换效率可达89.3%。

通过数值模拟也进一步证实，基于GA的相变复合材料表现出更好的导热性。此外，三维相变复合材料还应用于热差发电，在移除光源后300 s内仍可保持35 mV的稳定输出电压。相关研究结果如下图所示：

图1 GA-PCM和B-GAPCM制备示意图

图2(a)PEG、GA-PCM、CNT-GA-PCM和B-GA-PCM的热导率比较；(b)GA-PCM和B-GA-PCM在加热板上不同时间点加热和冷却阶段的红外相机图像；(c)温度分布云图

如图2a所示，纯PEG的热导率约为0.38 W/mK，B-GA-PCM的热导率增加了181.58%，高于GA-PCM和CNT-GA-PCM。这是因为在B-GA-PCM中，CNTs穿插在GA中，形成一个更好的热传导网络，CSs进一步填补了热传导网络的间隔，并提供了更大的可变区域，这有利于吸附更多的PEG。

为了更直观地比较两种PCM复合材料的导热性，应用Ansys19.2对样品在加热板上的传热性能进行了数值模拟。结果如图2c所示，B-GA-PCM的传热速度明显高于GA-PCM，验证了上述实验结果。

图3(a)GA-PCM、B-GA-PCM和PEG的光热转化曲线；(b)GA-PCM和B-GA-PCM的光热转换效率；(c)太阳能-热-电转换装置；(d)移除光源后的电压变化

在模拟阳光下，B-GA-PCM的温度升高很快，从25℃升高到50℃仅需200s。此外，连续光照1000s后，B-GA-PCM的温度达到70℃，远高于PEG的相变温度，而纯PEG的温度仅达到43℃，无法达到其熔点。

经计算，GA-PCM和B-GA-PCM的光热转换效率分别为53.2%和89.3%，证实了CSs和CNTs的引入大大提高了GA-PCM的光热转换效率。

在太阳能-热-电转换测试中，当相变复合材料吸收了大量的光能后，氙气弧光灯关闭，万用表上仍能检测到一段时间的电压，如图3d所示。这一现象表明，相变复合材料有效地吸收了光能，并将其转化为热能，为热差发电提供了可能性。

以上成果发表在ACS Applied Energy Materials上，上海第二工业大学研究生包志杰为第一作者，上海第二工业大学能源与材料工程学院邴乃慈副教授、于伟教授为共同通讯作者。Three-Dimensional Interpenetrating Network Phase-Change Composites with High Photothermal Conversion and Rapid Heat Storage and Release,https://doi.org/10.1021/acsaem.1c01061