近日，我院师生在中国科学系列期刊Science China-Technological Sciences（SCI二区）上在线发表了题为“Vertical orientation graphene/MXene hybrid phase change materials with anisotropic properties, high enthalpy and photothermal conversion”的研究论文。该论文是以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华清教授和于伟教授为共同通讯作者。

　　图文摘要

　　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1.21 W/(m·K)，相变焓为168.25 J/g，与纯硬脂酸的焓值（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 s。

　　图1 垂直排列的rGO/MXene气凝胶制备示意图

　　图2（a-b）A-rGO/Mxene气凝胶数码图像及抗压测试图；（d）MAX的SEM；（e）多层MXene的SEM；（f-i）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）元素的映射图像（o）C、（p）O和（q）Ti

　　图3 rGO、MXene、SA、复合相变材料的（a-b）XRD光谱、（c）FTIR光谱和（d）UV-Vis-NIR光谱

　　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）理论焓值与实际焓值；（c）结晶度；（d）rGO/MXene/SA的50次加热冷却循环DSC图谱

　　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 °C冷却到27 °C的红外照片；（c）A-rGO/MXene/SA传热增强机理图

　　图6 A-rGO/MXene/SA的稳定性（a）SA、rGO/SA、rGO/MXene/SA的热重测试图；（b）SA、rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA、A-rGO/MXene/SA泄漏测试图

　　图7光热转换性能测试得到时间-温度曲线（a）样品光热转换性能实验装置示意图；（b）在1000 W·m-2光强下，rGO/SA、A-rGO/SA、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

　　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对比图（数值越大性能越优异）

原始链接：https://mp.weixin.qq.com/s/vbLwVEUs0SLAlG4e6ksTcw

论文链接： https://link.springer.com/article/10.1007/s11431-021-1997-4