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華南師范大學張振：纖維素納米晶和氧化石墨烯共乳化Pickering乳液制備光熱相變微膠囊用于太陽能和熱能存儲

2024-08-16 來源：高分子科技

隨著人類社會的飛速發展以及全球的現代化、城市化和信息智能化，能耗急劇增加，對傳統能源的過度開發和濫用造成了嚴重的生態退化、環境污染和氣候問題等。太陽能由于清潔、可再生、全球分布和低成本等優勢引起了人們廣泛的關注，但是太陽能固有的間歇性限制了其在能源結構中的有效利用。為了更加充分有效的利用太陽能，通常情況下，將太陽能轉換為熱能、電能等進行存儲和使用。其中以相變材料（phase change materials, PCM）為核心的太陽能熱系統由于其低成本、制備簡單和高光熱轉換效率被廣泛研究。有機相變材料由于自身穩定的化學性質、低過冷度、無相分離等有點，是一種理想的儲熱材料，可以調節環境溫度，滿足熱量在空間和時間上的需求不匹配。然而，PCM通常面臨使用時易泄露問題，通過聚合物殼層微膠囊化相變材料可以有效地阻止其泄露。

乳液模板法是一種簡單有效制備相變微膠囊的策略。皮克林（Pickering）乳液是固體顆粒穩定的乳液。作為皮克林乳化劑的固體顆粒，對水油兩相都具有潤濕性，可以吸附在油水界面上從而形成Pickering乳液。相比于傳統表面活性劑穩定的乳液，Pickering乳液具有可持續性、生物可降解等優點。通過功能性納米顆粒穩定的Pickering乳液可以構筑高性能多功能復合納米材料。以具有光熱轉換功能的納米顆粒穩定的Pickering乳液為模板制備相變微膠囊可賦予微膠囊光熱轉換能力以及提高其熱導率。氧化石墨烯（GO）由于其優異的光熱轉換能力是一種理想的微膠囊殼層填料，然而GO通常具有較差的Pickering乳化性能。纖維素納米晶（CNC）是一維棒狀納米材料，具有生物可降解，高比表面積，優異的力學性能，水分散性以及Pickering乳化性能。因此通過CNC和GO共乳化Pickering乳液的策略，有望促進GO固定在油水界面上以提高GO的Pickering乳化性能。從而以CNC/GO共乳化的PCM Pickering乳液為模板，制備用于太陽能存儲和利用的光熱相變微膠囊。

華南師范大學周國富教授團隊張振課題組制備了一種具有高光熱轉換能力、高相變焓的相變微膠囊，在太陽能和熱能存儲方面具有廣泛的應用前景。該團隊以纖維素納米晶（CNC）和氧化石墨烯（GO）共穩定的PCM Pickering乳液為模板，制備了以密胺樹脂（MF）為殼層具有光熱轉換性能的PCM微膠囊。CNC具有優異的Pickering乳化能力，可促進GO在油水界面的固定，從而構筑了CNC和GO共穩定的PCM Pickering乳液。然后通過多巴胺的氧化自聚合、MF前驅體的原位聚合和交聯，在CNC和GO共穩定的PCM Pickering乳液表面原位形成聚多巴胺（PDA）層和MF殼層。由于多巴胺的還原作用，GO被還原為還原氧化石墨烯（rGO）。所制備的 PCM@CNC/rGO/PDA/MF微膠囊具有均勻的微米級尺寸、優異的防漏性能、高相變焓（175.4 J/g）和高PCM芯材含量（84.2%）。而且rGO和PDA 的存在使PCM微膠囊具有出色的光熱轉換性能。在1 W cm^-²的光照下，PCM@CNC/rGO/PDA/MF微膠囊漿料（15 wt.%）的溫度可高達到73 ℃。因此，光熱PCM@CNC/rGO/PDA/MF微膠囊可應用于太陽能收集、熱能儲存和釋放，在節能建筑和智能紡織品等領域具有廣泛的應用前景。

該成果以“Photothermal phase change material microcapsules via cellulose nanocrystal and graphene oxide co-stabilized Pickering emulsion for solar and thermal energy storage”為題發表在Science China Materials上。該論文的第一單位為華南師范大學華南先進光電子研究院，2022級碩士生孫旺和2019級碩士生張哲為共同一作，文章的通訊作者為華南師范大學張振副研究員、湖北大學賀妮莎副教授、西南林業科技大學劉燦副教授。本文得到國家重點研發計劃、廣東省自然科學基金面上項目和青年提升項目、國家自然基金和閃思科技等基金的大力支持。

圖1 通過 CNC/GO 共穩定Pickering乳液制備具有嵌入 CNC、rGO 和 PDA 的 MF 外殼的 PCM 微膠囊（PCM@CNC/rGO/PDA/MF）的示意圖。

1. GO/CNC共穩定的Pickering乳液的制備及表征

不同的乳化劑體系被用于穩定十八烷（C18） Pickering 乳液，Pickering 乳化性能通過對比對乳液分數和乳液粒徑來評價。GO 被用作Pickering 乳化劑時，乳液粒徑為15.4 μm。靜置24小時后，乳液下層依然呈現深色，這說明GO并未完全在油水界面上，乳液分數約為57.6%。盡管氯化鈉的引入可以屏蔽離子強度促進GO在油水界面的固定。GO/NaCl穩定的Pickering乳液仍然具有較大的粒徑（13.3 μm）。CNC/GO/NaCl共穩定的C18 Pickering乳液展現出較小的粒徑（5.1 μm）和最大的乳液分數（89.7%）。說明CNC的引入促進了Pickering乳液的穩定。

圖2. （a） GO 和 CNC/GO 的 TEM 圖像。（b）不同乳化劑體系（分別為 GO、GO/NaCl、CNC/NaCl 和 CNC/GO/NaCl）穩定的 C18 Pickering 乳液靜置 24 小時后的照片。（c）分別用 GO、GO/NaCl、CNC/NaCl 和 CNC/GO/NaCl 乳化的 C18 Pickering 的 POM 圖像和相應的粒徑分布。水相中 GO、NaCl 和 CNC 的濃度分別為 0.3 wt.%。

2. C22@CNC/rGO/PDA/MF 微膠囊形貌表征

通過SEM表征了C22微膠囊的表面和截面形貌，所有C22微膠囊都展示出均勻的尺寸和完整的核殼結構，C22被成功封裝在MF殼層中。

圖3. （a, e）C22@CNC/MF微膠囊的SEM圖。（b, f）C22@CNC/GO/MF微膠囊的SEM圖。（c, g）C22@CNC/PDA/MF微膠囊的SEM圖。（d, h）C22@CNC/rGO/PDA微膠囊的SEM圖。

3. C22微膠囊抗泄露測試

泄漏是 PCM在實際應用中需要解決的關鍵問題之一。C22 微膠囊在100℃的高溫烘烤下未發生泄露，說明C22微膠囊具有優異的抗泄露能力。

圖4. C22和C22微膠囊的泄露測試。

4. C22微膠囊的光熱和相變性能

通過DSC和TGA進一步表征了C22微膠囊的相變特性和熱穩定性，相比于C22，C22微膠囊的相變特性并未發生明顯改變。C22@CNC/rGO/PDA/MF 微膠囊顯示出 175.4 J/g 的高相變焓，新材含量可達84.2%。此外C22@CNC/rGO/PDA/MF 微膠囊具有最好的光熱轉換能力，在1W cm^-2的太陽光照射下，C22@CNC/rGO/PDA/MF 微膠囊漿料（15 wt.%）在44 min內可以達到73 ℃。這歸因于PDA和rGO的光熱協同作用。

圖5. C22 和 C22 微膠囊的加熱（a）和冷卻（b）DSC 曲線。（c）光照射和停止照射時溫度隨時間的變化。（d） C22 和 C22 微膠囊的熱重測試曲線。

原文鏈接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-024-3040-5

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（責任編輯：xu）

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