近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授和李廷賢研究員領(lǐng)銜的“能源-空氣-水”ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air）與材料學(xué)院鄧濤教授跨學(xué)科合作，在國際能源領(lǐng)域期刊Nano Energy上發(fā)表了題目為“Highly Conductive Phase Change Composites Enabled by Vertically-Aligned Reticulated Graphite Nanoplatelets for High-Temperature Solar Photo/Electro-Thermal Energy Conversion, Harvesting and Storage”的研究論文。論文提出了基于垂直陣列網(wǎng)狀石墨納米骨架的高導(dǎo)熱/導(dǎo)電的功能型相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的制備方法和太陽能光/電-熱轉(zhuǎn)換、收集及存儲(chǔ)的一體化相變儲(chǔ)能裝置的協(xié)同強(qiáng)化熱設(shè)計(jì)新思路。論文第一作者是李廷賢研究員和博士研究生吳閩強(qiáng)，通訊作者是李廷賢研究員、鄧濤教授和王如竹教授。
圖1. 基于功能型相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的太陽能光/電-熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)
為進(jìn)一步提高太陽能光-熱相變儲(chǔ)能性能和拓展相變儲(chǔ)能模式，通過添加吸光材料和導(dǎo)電材料制備功能型相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光/電-熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)的一體化儲(chǔ)能技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。然而，由于缺乏有效的能量轉(zhuǎn)換和傳熱耦合設(shè)計(jì)，導(dǎo)致光/電-熱轉(zhuǎn)換時(shí)的能量損失較大，現(xiàn)有的光/電-熱轉(zhuǎn)換功能型相變復(fù)合材料具有導(dǎo)熱/導(dǎo)電系數(shù)低、能量傳輸慢、相變溫度低、能量轉(zhuǎn)換效率低的局限。因此開發(fā)高性能的功能型相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料對發(fā)展新型的高效光-熱、電-熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)技術(shù)具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
圖2. 基于垂直陣列石墨納米骨架的高導(dǎo)熱/導(dǎo)電的功能型相變材料及光/電-熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)
論文采用壓力誘導(dǎo)自組裝方法制備了固-固相變材料季戊四醇為儲(chǔ)熱介質(zhì)的高導(dǎo)熱/導(dǎo)電的功能型相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料。通過構(gòu)建理論模型分析了相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的界面光-熱轉(zhuǎn)換、熱量損失、能量傳輸與存儲(chǔ)過程，采用串/并聯(lián)模型分析了集熱溫度與儲(chǔ)熱驅(qū)動(dòng)溫差的關(guān)聯(lián)特性。在此基礎(chǔ)上提出了旨在提高相變材料光-熱轉(zhuǎn)換效率和儲(chǔ)熱能力的協(xié)同強(qiáng)化策略，即通過協(xié)調(diào)相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料內(nèi)部石墨納米片陣列取向與太陽能光-熱轉(zhuǎn)換及熱量傳遞方向的一致性來降低相變材料表面的集熱溫度，從而降低太陽能光-熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)過程中的輻射及對流熱損失，提高太陽能光-熱轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)效率。同時(shí)，該協(xié)同增強(qiáng)策略也可提高相變材料的電-熱轉(zhuǎn)換效率與熱量傳遞及存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)基于功能型相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的太陽能光-熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)和可再生能源風(fēng)/光-電-熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)。
圖3 基于協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)的高效光/電-熱相變儲(chǔ)能
研究工作中所制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率在石墨納米片含量25 wt%時(shí)分別高達(dá)33.5 W/mK和323 S/cm；研究在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了能量收集與傳輸?shù)膮f(xié)同增強(qiáng)策略，通過協(xié)調(diào)石墨納米陣列取向與熱能傳遞方向或電流方向，防止了相變材料的表面集熱過熱問題、降低了能量損失、加速了相變材料的光/電-熱能量轉(zhuǎn)換、收集、傳輸與存儲(chǔ)，從而成功實(shí)現(xiàn)了無聚光條件下，相變溫度高達(dá)186 oC的太陽能 “光-熱轉(zhuǎn)換-傳輸-存儲(chǔ)”的直接式一體化高溫儲(chǔ)能，以及超低電壓(<0.34 V)驅(qū)動(dòng)的高效電-熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)（>92%）。該工作提出的基于垂直陣列石墨納米骨架的高導(dǎo)熱/導(dǎo)電的功能型相變材料和能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)膮f(xié)同增強(qiáng)方法，為相變材料的高效太陽光/電-熱轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和利用提供了新思路。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊(duì)致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。近年來在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Nano Energy、Energy Storage Materials 等期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106338
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