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我院师生在“宽带吸收增强的三维定向纤维素碳气凝胶复合相变材料用于光-热-电转换”的研究中取得新进展
发布日期:2022-02-23 15:12:29   发布人:能源与材料学院

  近日,我院师生在宽带吸收增强的三维定向纤维素碳气凝胶复合相变材料用于光-热-电转换的研究中取得新进展,相关成果发表于中科院一区TOP期刊Energy Conversion and Management上。

  能源短缺、环境和生态问题促使人们关注可再生能源的有效利用。利用复合相变材料作为储能介质是实现太阳能高效转换的重要途径。生物质材料因其来源广泛、成本低、环境友好、结构独特等优势,可构建三维支撑材料用以解决有机相变材料易泄漏、导热差等缺陷。本研究以细菌纤维素薄膜为碳前驱体,通过浸渍膨胀、定向冷冻、冷冻干燥和碳化过程构筑三维定向纤维素碳气凝胶(CBCA)支架,并通过真空浸渍熔融硬脂酸/石墨烯得到了三维复合相变材料。其中,以叔丁醇/去离子水为共溶剂,气凝胶表现出高比表面积和产率以及低结构收缩率,三维定向石墨化多孔网络和石墨烯保证了出色的宽带吸收、高效的传热路径、优异的光热转换效率。复合相变材料具有较高的相变焓,储热能力大于96%,当加入0.5 wt%石墨烯后,热导率可达1.17 W/(m⋅K),光热转换效率为90.3%。在光照强度为200 mW/cm2下,光源与样品之间的距离约为66.5 cm,热电芯片的面积约为16 cm2,得到最大光-热-电能转换输出功率为1.80 mW。该工作为高效的太阳能存储和热能利用提供了一种可行、经济的策略。



  图 1 图文简介



  图 2 制备示意图及BET测试及影响机理



  图 3 微观测试及晶体、化学结构表征



  图 4 热泄漏及形状稳定性测试



  图 5 热性能测试


  图 6 光-热及热-电转换测试


  该研究成功地设计并制备了以三维定向纤维素碳支架支撑的复合相变材料。CBCA表现出以下三个特点:(i)以叔丁醇代替部分水为溶剂,得到的BC气凝胶具有较高的比表面积和稳定的孔结构;(ii) CBCA具有优异的吸附能力,可吸附质量为自身数百倍的SA,从而保证了高储能密度;(iii)出色的宽带吸收、理想的传热路径以及良好的PCM封装。基于CBCA的优异特性,三维复合相变材料表现出优异的稳定性、高相变焓、增强的导热系数、宽带吸收性能和优异的光热转换,同时由于原材料纤维素来源广泛且价格低廉,其优异的化学和热可靠性确保长期循环利用,可以将低品位能源转化为高品位能源(热-电),进一步优化光-热-电转换性能后,可极大地拓宽实际应用范围。该工作为三维复合相变材料提供了一种新的设计思路,以实现高效太阳能储存和热能利用。

  该成果以“Three-dimensional directional cellulose-based carbon aerogels composite phase change materials with enhanced broadband absorption for light-thermal-electric conversion”为题发表在中科院一区TOP期刊Energy Conversion and Management上,上海第二工业大学硕士研究生吴官正为第一作者,上海第二工业大学能源与材料工程学院邴乃慈博士、于伟教授为共同通讯作者。

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