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    我院師生在“寬帶吸收增強的三維定向纖維素碳氣凝膠復合相變材料用于光-熱-電轉換”的研究中取得新進展
    發布日期:2022-02-23 15:12:29   發布人:能源與材料學院

      近日,我院師生在寬帶吸收增強的三維定向纖維素碳氣凝膠復合相變材料用于光-熱-電轉換的研究中取得新進展,相關成果發表于中科院一區TOP期刊Energy Conversion and Management上。

      能源短缺、環境和生態問題促使人們關注可再生能源的有效利用。利用復合相變材料作為儲能介質是實現太陽能高效轉換的重要途徑。生物質材料因其來源廣泛、成本低、環境友好、結構獨特等優勢,可構建三維支撐材料用以解決有機相變材料易泄漏、導熱差等缺陷。本研究以細菌纖維素薄膜為碳前驅體,通過浸漬膨脹、定向冷凍、冷凍干燥和碳化過程構筑三維定向纖維素碳氣凝膠(CBCA)支架,并通過真空浸漬熔融硬脂酸/石墨烯得到了三維復合相變材料。其中,以叔丁醇/去離子水為共溶劑,氣凝膠表現出高比表面積和產率以及低結構收縮率,三維定向石墨化多孔網絡和石墨烯保證了出色的寬帶吸收、高效的傳熱路徑、優異的光熱轉換效率。復合相變材料具有較高的相變焓,儲熱能力大于96%,當加入0.5 wt%石墨烯后,熱導率可達1.17 W/(m?K),光熱轉換效率為90.3%。在光照強度為200 mW/cm2下,光源與樣品之間的距離約為66.5 cm,熱電芯片的面積約為16 cm2,得到最大光-熱-電能轉換輸出功率為1.80 mW。該工作為高效的太陽能存儲和熱能利用提供了一種可行、經濟的策略。



      圖 1 圖文簡介



      圖 2 制備示意圖及BET測試及影響機理



      圖 3 微觀測試及晶體、化學結構表征



      圖 4 熱泄漏及形狀穩定性測試



      圖 5 熱性能測試


      圖 6 光-熱及熱-電轉換測試


      該研究成功地設計并制備了以三維定向纖維素碳支架支撐的復合相變材料。CBCA表現出以下三個特點:(i)以叔丁醇代替部分水為溶劑,得到的BC氣凝膠具有較高的比表面積和穩定的孔結構;(ii) CBCA具有優異的吸附能力,可吸附質量為自身數百倍的SA,從而保證了高儲能密度;(iii)出色的寬帶吸收、理想的傳熱路徑以及良好的PCM封裝。基于CBCA的優異特性,三維復合相變材料表現出優異的穩定性、高相變焓、增強的導熱系數、寬帶吸收性能和優異的光熱轉換,同時由于原材料纖維素來源廣泛且價格低廉,其優異的化學和熱可靠性確保長期循環利用,可以將低品位能源轉化為高品位能源(熱-電),進一步優化光-熱-電轉換性能后,可極大地拓寬實際應用范圍。該工作為三維復合相變材料提供了一種新的設計思路,以實現高效太陽能儲存和熱能利用。

      該成果以“Three-dimensional directional cellulose-based carbon aerogels composite phase change materials with enhanced broadband absorption for light-thermal-electric conversion”為題發表在中科院一區TOP期刊Energy Conversion and Management上,上海第二工業大學碩士研究生吳官正為第一作者,上海第二工業大學能源與材料工程學院邴乃慈博士、于偉教授為共同通訊作者。

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