1.成果簡介
太陽能作為一種可再生能源，因其在解決日益增長的能源需求和溫室氣體排放方面的巨大潛力受到越來越多的關注。然而，太陽自身的間歇性和隨機性大大限制了太陽能的轉換和儲存效率。近年來，基于固-液相變材料的潛熱儲存系統，由于具有高儲熱密度和出色的化學穩定性，有望成為提高太陽能吸收和轉換的合適方法。但固-液相變材料在實際應用中常受到自身換熱速率低、熔融狀態泄漏、性能不穩定等缺陷的限制。因此，提高和改善固-液相變材料的導熱系數和光熱轉換效率是其在太陽能潛熱儲存領域的研究熱點。其中一個解決方法是將多孔載體材料與固-液PCM結合起來制備形狀穩定的多孔定型復合相變材料。因此開發具有高太陽能吸收性能和高儲能密度的復合相變材料是太陽能熱儲存技術的關鍵。
基于此，上海先進熱功能材料工程技術研究中心的研究團隊通過利用自組裝技術與Marangoni效應設計制備了垂直排列的還原氧化石墨烯/MXene氣凝膠，并以該氣凝膠為載體封裝硬脂酸制備了垂直排列的還原氧化石墨烯/MXene/硬脂酸多孔定型復合相變材料。該復合相變材料具有良好的形狀穩定性和熱物性，熱導率可達1.21W/(m·K)，相變焓為168.25J/g，與純硬脂酸的焓值（173.50 J/g）十分接近。MXene片材的添加改善了復合材料的太陽能吸收性能，光熱轉換效率為90.19%。同時，得益于載體材料的定向網絡結構，復合相變儲能材料的儲能時間顯著縮短了610s。
圖1 圖文簡介
2.圖文信息
圖2 垂直排列的rGO/MXene氣凝膠制備示意圖
圖3 （a-b）A-rGO/Mxene氣凝膠數碼圖像及抗壓測試圖；（d）MAX的SEM；（e）多層MXene的SEM；（f-i）單層MXene的SEM、TEM；（j）rGO/Mxene的SEM；（k）A-rGO/Mxene的SEM；（l-m）A-rGO/MXene/SA復合PCM的SEM圖像；（n-q）元素的映射圖像（o）C、（p）O和（q）Ti
圖4 rGO、MXene、SA、復合相變材料的（a-b）XRD光譜、（c）FTIR光譜和（d）UV-Vis-NIR光譜
圖5 SA、rGO/SA和rGO/MXene/SA的相變行為（a）加熱冷卻過程中DSC曲線；（b）理論焓值與實際焓值；（c）結晶度；（d）rGO/MXene/SA的50次加熱冷卻循環DSC圖譜
圖6 A-rGO/MXene/SA的熱傳導特性（a）A-rGO/MXene/SA的導熱率；（b）A-rGO/MXene/SA從50°C冷卻到27 °C的紅外照片；（c）A-rGO/MXene/SA傳熱增強機理圖
圖7 A-rGO/MXene/SA的穩定性（a）SA、rGO/SA、rGO/MXene/SA的熱重測試圖；（b）SA、rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA、A-rGO/MXene/SA泄漏測試圖
圖8 光熱轉換性能測試得到時間-溫度曲線（a）樣品光熱轉換性能實驗裝置示意圖；（b）在1000 W·m-2 光強下，rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA、A-rGO/MXene/SA和純SA復合塊內部的溫度分布；（c）rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA和A-rGO/MXene/SA的光熱轉換效率
圖9 針對A-rGO/MXene/SA定向結構光熱轉換性能測試得到時間-溫度曲線（a）樣品光熱轉換性能光照測試示意圖；（b）在1000 W·m-2 光強下，A-rGO/MXene/SA取向面和非取向面內部的溫度分布；（c）A-rGO/MXene/SA取向面和非取向面的溫升速率；（d）A-rGO/MXene/SA與其他復合材料性能對比圖（數值越大性能越優異）
3.小結
本研究通過在A-rGO氣凝膠中引入MXene納米片層，并將SA包覆到A-rGO氣凝膠中，成功地制備了A-rGO/MXene/SA復合相變材料。作為載體材料，A-rGO/MXene氣凝膠有效地解決了SA的泄漏問題和較低的導熱系數，而MXene作為光吸收材料的引入提高了SA的光熱轉化和儲能效率。
（1）A-rGO/Mxene/SA的導熱系數比SA高317.24%，這是由于A-rGO/Mxene的定向網絡結構所致。
（2）A-rGO/Mxene/SA的相變熱達到168.25 J/g，與SA相當，經過50次加熱和冷卻循環后，A-rGO/Mxene/SA無明顯變化。
（3）A-rGO/MXene/SA的光熱轉換效率和儲能效率均達到90.19%。同時，由于各向異性，其溫度上升速度加快，儲能時間顯著縮短。
因此，合成的A-rGO/MXene/SA具有各向異性、高的熱焓、較高的光熱轉化率和儲熱能力以及良好的熱穩定性，在太陽能應用方面顯示出巨大的潛力。
以上成果發表在中國科學系列期刊Science China-Technological Sciences（SCI二區）上，上海第二工業大學碩士研究生王學子為第一作者，上海第二工業大學能源與材料學院謝清華教授和于偉教授為共同通訊作者。Title：Vertical orientation
graphene/MXene hybrid phase change materials with anisotropic properties, high
enthalpy and photothermal conversion, Science China-Technological Sciences 65
(2022) 882-892。