具有各向异性、高焓和光热转化的垂直取向石墨烯／MXene复合相变材料.docx

具有各向异性、 高熔和光热转化的垂直取向石墨烯/ MXene复合相变材料目录1 .成果简介1.图文简介12 .结论与展望7.成果简介太阳能作为一种可再生能源，因其在解决日益增长的能源需求和温室气体排放方面的巨大潜力 受到越来越多的关注。然而，太阳自身的间歇性和随机性大大限制了太阳能的转换和储存效率。近 年来，基于固-液相变材料的潜热储存系统，由于具有高储热密度和出色的化学稳定性，有望成为提 高太阳能吸收和转换的合适方法。但固-液相变材料在实际应用中常受到自身换热速率低、熔融状态 泄漏、性能不稳定等缺陷的限制。因此，提高和改善固-液相变材料的导热系数和光热转换效率是其 在太阳能潜热储存领域的研究热点。其中一个解决方法是将多孔载体材料与固-液PCM结合起来制 备形状稳定的多孔定型复合相变材料。因此开发具有高太阳能吸收性能和高储能密度的复合相变材 料是太阳能热储存技术的关键。基于此，上海先进热功能材料工程技术研究中心的研究团队通过利 用自组装技术与Marangoni效应设计制备了垂直排列的还原氧化石墨烯/MXene气凝胶，并以该气 凝胶为载体封装硬脂酸制备了垂直排列的还原氧化石墨烯/MXene/硬脂酸多孔定型复合相变材料。 该复合相变材料具有良好的形状稳定性和热物性，热导率可达1.21W/(m-K),相变焙为168.25 J/g,与纯硬脂酸的焙值(173.50 J/g)十分接近。MXene片材的添加改善了复合材料的太阳能吸收性 能，光热转换效率为90.19%。同时，得益于载体材料的定向网络结构，复合相变储能材料的储能 时间显著缩短了 610 So.图文简介本篇研究成果发表以“Vertical orientation graphene/MXene hybrid phase change materials with anisotropic properties, high enthalpy and photothermal conversion ”为题，发布在中国科学系列期刊 Science China-Technological SciencesfSCI二区)上，上海第二工业大学硕士研究生王学子为第一作 者，上海第二工业大学能源与材料学院谢清华教授和于伟教授为共同通讯作者。第1页共7页Kthano)SolventDirectionalfreezingReduction .领GO suspensionMwnv suspensionDirectionalSolvent exchange图1垂直排列的rGO/MXene气凝胶制备示意图图2 (ab)A-rGO/Mxene气凝胶数码图像及抗压测试图；(d)MAX的SEM；多层MXene的SEM ； (fi)单层MXene的SEM、TEM； (j)rGO/Mxene 的 SEM； (k)A-rGO/Mxene 的 SEM； (l-m)A-rGO/MXene/SA 复合 PCM 的 SEM 图像;(n-q)元素的第2页共7页映射图像(o)C、(p)0和(q)Ti(=3>.=8=2三rCiONIXem/NArtiO/MXcnc20304020 (degree)7020 (degree)(W32UM 三 usulu-(W32UM 三 usulu-I(M)<>OX<>7I>6O5I>4O3O2<>1 o d (%) uo=d=o，qvHX> S A K-H.OSK »<；()M、r、Q A*H»O35003(MH)250020001S(M)1(100 SM50。1000150020002500Wavenumber (cm")Wavelength (nm)图3rGOv MXene、SA、复合相变材料的(a-b)XRD光谱、(c)FTIR光谱和(d)U光Vis-NIR光谱第3页共7页7020Temperature ()Kobo如 一 ()二cms0SAKXKSA rCOiMXciu.SA&>e,.oz-2= dI cycle102031)40 5a 6<l70 KOTemperature (<?)图4 SA、rGO/SA和rGO/MXene/SA的相变行为(a)加热冷却过程中DSC曲线；(b)理论焰值与实际焰值；(c)结晶度;(d)rGO/MXene/SA的50次加热冷却循环DSC图谱第4页共7页3154M2M,4b19145(求r-RH JSEJ-JU 一Irr.obrGO /SAA r(；O fSrGO /Mienc'SAX-rGO fMcne/SA39 IL47.4V43 1V38.9 X：29.6V284V4A.4T：53.7X?4O.9Y?52JTS3.1 V51.8V42 3V39 0V38 6X-30.0X35.8 V34.7X233.4X?32.51027 7工Diwnk'reda1"A-rGO SA rGCNXsWSA A-r<X)IXk-ne/SA201002003004005(10600700K；O/SA0Temperature ()图 6 A-rGO/MXene/SA 的稳定性(a)SA、rGO/SA、rGO/MXene/SA 的热重测试图 rGO/MXene/SAv A-rGO/MXene/SA 泄漏测试图；(b)SAv rGO/SAx A-rGO/SA、第5页共7页 latrHaciMl iM-sdng MW-mrutKpurl图5 A-rGO/MXene/SA的热传导特性(a)A-rGO/MXene/SA的导热率；(b)A-rGO/MXene/SA从50工冷却到27 的红外照片；(c)A-rGO/MXene/SA传热增强机理图光强下,图7光热转换性能测试得到时间-温度曲线样品光热转换性能实验装置示意图；（b）在1000 W,m-2rGO/SAv A-rGO/SAx rGO/MXene/SA、A-rGO/MXene/SA 和纯 SA 复合块内部的温度分布；（c）rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA 和 A-rGO/MXene/SA 的光热转换效率 AKW 一Xu A a图8针对A-rGO/MXene/SA定向结构光热转换性能测试得到时间-温度曲线（a）样品光热转换性能光照测试示意图；（b）在1000 W-m- 2光强下，A-rGO/MXene/SA取向面和非取向面内部的温度分布；（c）A-rGO/MXene/SA取向面和非取向面的温升速率；（d）A-rGO/MXene/SA与其他复合材料性能比照图（数值越大性能越优异）第6页共7页1 .结论与展望本研究通过在A-rGO气凝胶中引入MXene纳米片层，并将SA包覆到A-rGO气凝胶中，成功地 制备了 A-rGO/MXene/SA复合相变材料。作为载体材料，A-rGO/MXene气凝胶有效地解决了 SA的 泄漏问题和较低的导热系数，而MXene作为光吸收材料的引入提高了 SA的光热转化和储能效率。(l)A-rGO/Mxene/SA的导热系数比SA高317.24%,这是由于A-rGO/Mxene的定向网络结构所 致。(2)A-rGO/Mxene/SA的相变热到达168.25 J/g,与SA相当，经过50次加热和冷却循环后,A- rGO/Mxene/SA无明显变化。(3)A-rGO/MXene/SA的光热转换效率和储能效率均到达90.19%。同时，由于各向异性，其温 度上升速度加快，储能时间显著缩短。因此，合成的A-rGO/MXene/SA具有各向异性、高的热焙、较高的光热转化率和储热能力以及 良好的热稳定性，在太阳能应用方面显示出巨大的潜力。第7页共7页