01背景介紹

由于工業的快速發展和世界人口的持續增長，人類對石油等化石燃料的依賴正在穩步增長。太陽能具有環保、可再生等特點，是化石燃料的優良替代品。有機相變材料(PCMs)由于其高潛在焓、低腐蝕性和優異的穩定性而具有巨大的太陽能利用潛力。然而，PCMs有幾個固有的缺點，包括(i)對太陽能的響應能力弱，這使得太陽能難以有效地轉化為熱量；(ii)形狀穩定性不足，這增加了PCMs的泄漏風險；(iii)導熱性差，這阻礙了熱量的傳遞、儲存和釋放。

用PCMs填充三維(3D)石墨烯骨架可以顯著PCMs對太陽能的吸收和轉換效率，同時也降低了泄漏的風險。然而，3D石墨烯骨架大多是通過冷凍干燥石墨烯懸浮液或還原氧化石墨烯水凝膠制備的。由于石墨烯骨架的密度低，內部石墨烯片之間的相互作用弱，因此無法建立密集和連續的網絡來實現高效的熱傳導。因此，由這些石墨烯骨架制備的相變復合材料(PCCs)沒有表現出理想的導熱性。

3D石墨烯骨架中石墨烯片的質量、數量和分散狀態與PCCs的熱導率密切相關。高溫石墨化可以有效地消除石墨烯片上的這些氧官能團，修復其晶格缺陷。然而，高溫石墨化不能改變PCCs中石墨烯納米板的組成和分散狀態。此外，這一過程需要昂貴的設備，并產生巨大的能源成本。值得注意的是，通過改善骨架內部石墨烯片之間的接觸狀態，可以有效降低石墨烯片之間的接觸熱阻。然而，干燥過程往往導致石墨烯骨架密度過高，這嚴重限制了可填充到PCCs中的相變材料的數量。這導致PCCs的潛在焓低，限制了它們對熱能的儲存和利用。

02成果掠影

近期，華南理工大學張心亞研究員針對石墨烯基相變復合材料在太陽能利用方面具有巨大的潛力，但其較差的導熱性的問題取得最新進展。本研究通過冰模板法和協同作用構建了具有優異導熱增強效率的風干石墨烯骨架(AGS)，隨后通過真空浸漬n-Docosane (C22)在AGS中得到風干石墨烯相變復合材料(AGP)。這種協同作用有效地降低了AGS內部石墨烯片間的聲子散射，并將AGS的密度提高到0.1701 g/cm3。因此，當石墨烯骨架負載為23.82 wt.%時，AGP的導熱系數為9.867 W/(m K)，電導率為68.08 S/cm，具有優異的形狀穩定性。此外，AGP的熔化焓為188.5 J/g，光熱轉換效率為93.98%，顯示出巨大的太陽能利用潛力。研究成果以“An innovative graphene-based phase change composite constructed by syneresis with high thermal conductivity for efficient solar-thermal conversion and storage”為題發表于《Journal of Materials Science & Technology》。

03圖文導讀

圖1.(a)制備AGP的示意圖，(b)填料之間的分子間作用力，(c)太陽能熱轉換和儲存。

圖2.(a, b) GNPs的SEM圖像，(c) AFM圖像和(d, e)氧化石墨烯高度分布圖，(f)石墨烯骨架AGS、相變材料C22和相變復合材料AGP的FTIR光譜和(g) XRD圖譜。

圖3.(a, b) FGS和(c) FGP軸向掃描電鏡圖像，軸向(d, e) AGS和(f) AGP的SEM圖像，紅色箭頭表示軸向。

圖4. (a) C22、FGP和AGP的導熱系數，(b) FGP和AGP的導熱系數增強效率，(c) C22、FGP和AGP的相變焓，(d) C22、FGP和AGP在加熱和冷卻過程中的DSC曲線，(f)與已報道的石墨烯/石蠟PCCs的熱性能比較。

圖5.(a) 100次加熱和冷凍循環前后AGP的DSC曲線和(b)潛在焓，(c) AGS、FGP、AGP和C22的TGA曲線，(d)FGS和AGS的應力-應變曲線。

圖6.(a) C22、FGP和AGP的紫外-可見-近紅外吸收光譜，(b)太陽能熱轉換模擬系統示意圖。

圖7.(a)氙燈模擬光熱轉換過程中C22、FGP和AGP的溫度-時間曲線和(b)熱紅外圖像，(c) C22、FGP、AGP在實際光熱轉換過程中的溫度-時間曲線。

圖8.(a)電熱轉換實驗裝置示意圖，(b)不同電壓下FGP和AGP電熱轉換過程的溫度-時間曲線和(c)熱紅外圖像。