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中科院寧波材料所劉小青研究員團隊 CEJ：高效充儲能相變復合材料

2023-02-23 來源：高分子科技

基于相變材料（PCM）的儲能技術具有儲能密度大、可恒溫蓄熱、穩定安全等優勢，可有效解決能源轉換與儲存過程中的間歇性、波動性和不均性問題。光熱轉換材料與PCM的復合可以實現對太陽能的便捷獲取與轉換，多尺度、多層次、高效光熱通路的構建對提高光熱轉換PCM復合材料的充儲效率至關重要。

中科院寧波材料所劉小青研究員一直致力于可持續熱固性樹脂的應用基礎研究（Prog. Polym. Sci., 2021, 113, 101353; Green Chem., 2021, 23, 8643; Chem. Eng. J., 2022, 428,131226; Compos. B: Eng., 2020, 190, 107926）。為了解決熱固性樹脂不能降解、難以回收再利用的問題，通過激光燒蝕的方法將生物基熱固性樹脂轉為功能性碳（Adv. Mater., 2022, 2209545; Small, 2022, 18, 2202906; Nano Energy, 2022, 100, 107477; ACS Nano, 2021, 15, 19490-19502），實現了對生物碳的高效利用，擬完成從“生物碳”到“高性能樹脂”再到“功能碳”的閉環轉化。

近日，該團隊利用激光誘導石墨烯（LIG）技術在熱固性樹脂基體上構筑了“葉脈-葉肉”狀三維石墨烯骨架，制備了具有高儲能密度、多級傳熱路徑和優異光熱轉化效率的復合相變材料（PLMC）。其中，葉脈狀LIG（v-LIG）具有高光熱轉換效率和熱導率，扮演“營養/水分傳輸”的角色；葉肉狀LIG（m-LIG）具有高孔隙率，可容納高比例的PCM；同時，底部未被燒蝕的樹脂可以作為保溫隔層并提供機械支撐。所得PLMC的潛熱可達到162.3 J/g，且由于高光熱v-LIG產生的“局部高溫帶動周圍升溫”及樹脂層的“減少熱耗散”的協同作用，PLMN在非集中太陽光下實現了84.1%的光熱轉化效率。

圖1. 仿生多級結構相變復合材料的設計思路

圖2. PLMC的熱耐久性及多級結構的協同作用

此外，通過理論建模和計算推測，進一步驗證了所設計多級結構在傳熱、光熱方面的協同作用。其中，v-LIG與m-LIG部分的比例接近1比3時，PLMC能實現儲能密度與能量傳遞速度之間的平衡。通過有限元模擬分析可得，v-LIG能在6秒內產生與m-LIG之間高達5-10 ℃的溫差，并迅速帶動整面材料在1分鐘內達到近75 ℃的表面溫度。相比之下，不含樹脂層的PLMC材料在同條件下的表面溫度僅為55 ℃，且拉伸強度僅為PLMC的30%。

圖3. PLMC的光熱除冰、防護式熱管理、阻燃性能

得益于樹脂層的“熱防護”功效，PLMC可以在電子設備上實現被動制冷的同時，有效防止局部升溫可能引起的燙傷。此外，樹脂層的本征阻燃和氧氣隔絕功效也賦予材料離火迅速自熄滅的功能，為阻燃安全型的熱管理材料提供了新的設計思路。

相關成果以“Design of Phase Change Composite with Hierarchical Energy-Transfer Pathway via Laser-Induced Graphene for Efficient Energy Storage, Conversion, and Utilization” 為題發表在《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2023.141882）。博士研究生祝欣蓓為論文第一作者，劉敬楷博士和劉小青研究員為共同通訊作者。項目得到了國家自然科學基金，浙江省自然科學基金，浙江省創新團隊和寧波市自然科學基金的支持。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723006137

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（責任編輯：xu）

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