研究 \ 一種具有高導(dǎo)熱性石墨烯基相變復(fù)合材料

01背景介紹

由于工業(yè)的快速發(fā)展和世界人口的持續(xù)增長，人類對石油等化石燃料的依賴正在穩(wěn)步增長。太陽能具有環(huán)保、可再生等特點(diǎn)，是化石燃料的優(yōu)良替代品。有機(jī)相變材料(PCMs)由于其高潛在焓、低腐蝕性和優(yōu)異的穩(wěn)定性而具有巨大的太陽能利用潛力。然而，PCMs有幾個(gè)固有的缺點(diǎn)，包括(i)對太陽能的響應(yīng)能力弱，這使得太陽能難以有效地轉(zhuǎn)化為熱量；(ii)形狀穩(wěn)定性不足，這增加了PCMs的泄漏風(fēng)險(xiǎn)；(iii)導(dǎo)熱性差，這阻礙了熱量的傳遞、儲存和釋放。

用PCMs填充三維(3D)石墨烯骨架可以顯著PCMs對太陽能的吸收和轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也降低了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。然而，3D石墨烯骨架大多是通過冷凍干燥石墨烯懸浮液或還原氧化石墨烯水凝膠制備的。由于石墨烯骨架的密度低，內(nèi)部石墨烯片之間的相互作用弱，因此無法建立密集和連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)高效的熱傳導(dǎo)。因此，由這些石墨烯骨架制備的相變復(fù)合材料(PCCs)沒有表現(xiàn)出理想的導(dǎo)熱性。

3D石墨烯骨架中石墨烯片的質(zhì)量、數(shù)量和分散狀態(tài)與PCCs的熱導(dǎo)率密切相關(guān)。高溫石墨化可以有效地消除石墨烯片上的這些氧官能團(tuán)，修復(fù)其晶格缺陷。然而，高溫石墨化不能改變PCCs中石墨烯納米板的組成和分散狀態(tài)。此外，這一過程需要昂貴的設(shè)備，并產(chǎn)生巨大的能源成本。值得注意的是，通過改善骨架內(nèi)部石墨烯片之間的接觸狀態(tài)，可以有效降低石墨烯片之間的接觸熱阻。然而，干燥過程往往導(dǎo)致石墨烯骨架密度過高，這嚴(yán)重限制了可填充到PCCs中的相變材料的數(shù)量。這導(dǎo)致PCCs的潛在焓低，限制了它們對熱能的儲存和利用。

02成果掠影

近期，華南理工大學(xué)張心亞研究員針對石墨烯基相變復(fù)合材料在太陽能利用方面具有巨大的潛力，但其較差的導(dǎo)熱性的問題取得最新進(jìn)展。本研究通過冰模板法和協(xié)同作用構(gòu)建了具有優(yōu)異導(dǎo)熱增強(qiáng)效率的風(fēng)干石墨烯骨架(AGS)，隨后通過真空浸漬n-Docosane (C22)在AGS中得到風(fēng)干石墨烯相變復(fù)合材料(AGP)。這種協(xié)同作用有效地降低了AGS內(nèi)部石墨烯片間的聲子散射，并將AGS的密度提高到0.1701 g/cm3。因此，當(dāng)石墨烯骨架負(fù)載為23.82 wt.%時(shí)，AGP的導(dǎo)熱系數(shù)為9.867 W/(m K)，電導(dǎo)率為68.08 S/cm，具有優(yōu)異的形狀穩(wěn)定性。此外，AGP的熔化焓為188.5 J/g，光熱轉(zhuǎn)換效率為93.98%，顯示出巨大的太陽能利用潛力。研究成果以“An innovative graphene-based phase change composite constructed by syneresis with high thermal conductivity for efficient solar-thermal conversion and storage”為題發(fā)表于《Journal of Materials Science & Technology》。

03圖文導(dǎo)讀

圖1.(a)制備AGP的示意圖，(b)填料之間的分子間作用力，(c)太陽能熱轉(zhuǎn)換和儲存。

圖2.(a, b) GNPs的SEM圖像，(c) AFM圖像和(d, e)氧化石墨烯高度分布圖，(f)石墨烯骨架AGS、相變材料C22和相變復(fù)合材料AGP的FTIR光譜和(g) XRD圖譜。

圖3.(a, b) FGS和(c) FGP軸向掃描電鏡圖像，軸向(d, e) AGS和(f) AGP的SEM圖像，紅色箭頭表示軸向。

圖4. (a) C22、FGP和AGP的導(dǎo)熱系數(shù)，(b) FGP和AGP的導(dǎo)熱系數(shù)增強(qiáng)效率，(c) C22、FGP和AGP的相變焓，(d) C22、FGP和AGP在加熱和冷卻過程中的DSC曲線，(f)與已報(bào)道的石墨烯/石蠟PCCs的熱性能比較。

圖5.(a) 100次加熱和冷凍循環(huán)前后AGP的DSC曲線和(b)潛在焓，(c) AGS、FGP、AGP和C22的TGA曲線，(d)FGS和AGS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖6.(a) C22、FGP和AGP的紫外-可見-近紅外吸收光譜，(b)太陽能熱轉(zhuǎn)換模擬系統(tǒng)示意圖。

圖7.(a)氙燈模擬光熱轉(zhuǎn)換過程中C22、FGP和AGP的溫度-時(shí)間曲線和(b)熱紅外圖像，(c) C22、FGP、AGP在實(shí)際光熱轉(zhuǎn)換過程中的溫度-時(shí)間曲線。

圖8.(a)電熱轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，(b)不同電壓下FGP和AGP電熱轉(zhuǎn)換過程的溫度-時(shí)間曲線和(c)熱紅外圖像。