“背对背”径向层状骨架结构石墨烯相变复合材料

2024年11月19日 14:45

来源 | Advanced Functional Materials 原文 | https://doi.org/10.1002/adfm.202411744

北京科技大学黄秀兵、王戈团队提出了一种研究导热框架中“定向微单元”对cPCMs光热传质影响的新方法

背景介绍

相变材料（Phase change materials, PCMs）作为推动清洁能源产业革命的关键因素之一，由于其相变过程中巨大的潜热储存和可逆释放，引起了研究者的广泛关注。在PCMs中，有机固液相变具有成本低、储热容量大、腐蚀性低、不分离相、热稳定性高等优点，是目前最受研究人员青睐的PCMs然而，问题就像低导热性差、光吸收能力差、相变泄漏等问题仍然限制了这种材料的个别使用。因此，研究人员采用封装策略，引入支撑材料来制备复合相变材料（cPCMs），以克服纯相变材料的缺点，保证相变材料在应用中的形状稳定性和快速稳定的传热目前最常用的策略是微胶囊包装策略和多孔吸附策略。然而，微胶囊的制备是一个复杂的过程如果壳厚过高，cPCMs的储能密度会显著降低。外壳厚度不足可能会损害结构稳定性并导致PCMs泄漏。此外，在目前的研究中，微胶囊结构对导热性的改善还不够显著，因此要制备具有高能量存储密度和高导热性的形状稳定的cPCMs。

同时实现声子从上到下、从外到内的定向传递，为需要定向传热的cpcm领域开辟了新的思路。

成果掠影

近日，北京科技大学黄秀兵、王戈团队提出了一种研究导热框架中“定向微单元”对cPCMs光热传质影响的新方法。采用高能球磨和双向冷冻法制备了三种不同“定向微单元”结构的芳纶纳米纤维石墨烯纳米复合材料。通过机械球磨法完成了芳纶纳米纤维（ANF）和石墨烯纳米片（GNP）的原位自组装。在ANF/GNP气凝胶（AGA）中，GNP作为高导热填料，由于纯GNP在冻结策略中自组装能力较差，ANF作为“粘合剂”被引入，以协助GNP组装构建稳定的三维导热骨架。复合材料的焓值在146 ~ 152 J g−1之间。光热转换实验、热板传质实验、太阳-热-电能量转换实验和多物理场模拟分析表明，具有“背对背”径向层状结构的cPCMs具有最突出的光热转换能力和传热性能，导热系数提高173.3%，光热转换效率提高91.9%；最大光热输出电压303.3 mV。此类的结构设计为需要定向传热的cPCMs领域开辟了新的思路。研究成果以““Back-to-Back” Radial Layered Skeleton Converging Heat Flow to Assist in Thermal Conduction of Aramid Nanofibers/Graphene Phase Change Composite Materials”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

图文导读

图1.a)凯夫拉纤维剥离ANF示意图。b)球磨法制备ANF/GNP浆料示意图。c)双向冷冻法和导热AGA/PEG cpcm制备的三种AGA示意图。

图2. a)扫描测试视角示意图，b)AGA-0.5, c) AGA-1.0, d) AGA-2.0的SEM图像。

图3.a) ANF的TEM图像，b) AGA-1.0的能量色散x射线能谱（EDX）作图图像，c) AGA-1.0的HRTEM图像，d, e) XRD谱图，f) FT-IR光谱，g) ANF， GNP， AGA的紫外-可见吸收光谱，h) GNP、ANF、AGA-1.0的x射线光电子能谱（XPS），i) AGA-1 c1s区域的高分辨率XPS光谱。

图4. a)不同球磨时间下AGA的拉曼光谱和b) XRD图谱。

图5.a)加热，b)冷却DSC曲线，c) PEG， Mx-AGA/PEG的熔化/结晶焓和负载比，d) PEG、GNP、ANF、Mx-AGA/PEG的热重分析（TG），e) x- aga /PEG在第1、50、100次加热-冷却循环时的DSC曲线，f) PEG8000和Mx-AGA/PEG的导热系数。

图6. a) x- aga /PEG在200 mW cm−2光强下的红外图像和b)温度演化曲线，c)光强为100 mW cm−2时Mx-AGA/PEG顶部和底部温度演化曲线，d)聚乙二醇基cpcm在太阳能热转换过程中最高温度和光热转换效率的比较，e) x- aga /PEG在70℃加热器上加热的红外热像图和f)中温演化曲线。

图7.a)基于有限元分析的几何模型，b)当受热面加载80℃热源时，60 s时Mx-AGA/PEG导热过程的温度模拟，c)“排队”式径向排列骨架与“背靠背”式径向排列骨架之间的热传导机理示意图。

图8. a) STE发电装置原理图，b) 500mw cm−2光强下STE能量转换装置输出电压。c) STE能量转换装置的最大输出电流，d-f)普通电子元件从STE能量转换装置获得能量。

来源 | Advanced Functional Materials

原文 | https://doi.org/10.1002/adfm.202411744

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