碳基复合相变材料应用于热能存储、传递、转化
第一作者：陈晓
通讯作者：陈晓*，王戈*
单位：北京师范大学，北京科技大学
先进的相变储能材料是推动储能技术发展的核心和关键，在促进新能源开发和提高能源利用率中起着至关重要的作用。相变材料（PCM）一旦在人类生活被广泛应用，将成为节能环保的最佳绿色环保载体，在我国已经列为国家级研发利用序列。但是，纯PCM的低热导率和弱光吸收性阻碍了他们广泛的适用性。为了克服这些缺陷，提高热能的利用效率，多种多样的碳材料被用作载体材料来封装PCM构筑形状稳定的复合相变材料。 本文系统地概述了碳基复合相变材料应用于热能存储、传递、转化（光热转换、电热转换、磁热转换）的最新进展。同时还针对如何进一步理解和解决这些问题进行了深度讨论，最后强调了当前的挑战和未来的研究方向，有助于加速碳基复合相变材料领域的研究进展及实际应用。
研究背景
近日，北京师范大学陈晓与北京科技大学王戈教授在国际知名期刊Advanced Science（影响因子：15.84）上发表题为“Carbon-Based Composite Phase Change Materials for Thermal Energy Storage, Transfer, and Conversion”的综述文章。 该文章系统地概述了碳基复合相变材料应用于热能存储、传递、转化的最新进展，有助于加速碳基复合相变材料领域的研究进展及实际应用。
图1 不同的碳载体材料封装相变材料应用于热能存储、传递、转化
本文要点
要点一：热传导机制
固体材料中的电子和晶格振动可以进行热传递。金属PCM中的电子支配热传输，非金属PCM中的晶格振动主导热传输。声子用来描述晶格的简谐振动，声子并不是一个真正的粒子，声子可以产生和消灭，有相互作用的声子数不守恒，声子动量的守恒律也不同于一般的粒子，并且声子不能脱离固体存在。声子只是格波激发的量子，是集体振荡的元激发或准粒子。 影响声子传输的三个主要因素是声子速度，比热容和平均自由程。在声子传输过程中，声子扩散和声子散射是在热传导方面起着两种相反作用的因素。声子扩散系数越大，导热系数就越高；相反，声子散射越强，导热系数就越低。
图2 热传导机制
要点二：碳纳米管基复合相变材料
理论上，碳纳米管（CNTs）的热导率在纵向上可以达到3000 W mK-1。CNTs的出色热传导能力使其在增强相变材料热导率方面表现出很好的应用前景。 许多文献报道也证明了CNTs在相变材料热导率方面具有显著的增强效果，整体而言，具有阵列分布的CNTs比随机分布的CNTs具有更好的热导率增强效果。此外，CNTs基复合相变材料还具有优异的光热转换和电热转换性能。
图3碳纳米管基复合相变材料
要点三：石墨烯基复合相变材料
石墨烯凭借高的热导率、电导率以及强的光吸收能力成为相变材料载体的优异候选者，许多研究结果也证明了这一论述。石墨烯派生的3D结构（如石墨烯泡沫和石墨烯气凝胶）可以进一步提高相变材料的热导率、光热转换效率和电热转换效率。 此外，如果在石墨烯基复合相变材料体系里掺杂加入一些磁性纳米粒子可以实现相变材料的磁热转换，加入一些功能药物成分可以实现细胞内药物的可控释放。
图4石墨烯基复合相变材料
要点四：MOFs衍生碳基复合相变材料
通过在CNT上原位生长ZIF-8，然后以CNT＠ZIF-8为模板，通过煅烧得到一种3D芯鞘结构的CNT＠多孔碳载体。ZIF-8碳化的多孔碳层能够稳固CNT的3D网络结构。 此外，ZIF-8衍生的多孔碳具有高孔隙率和大比表面积，有利于高效吸附PCM，这样的配置大大降低了热传输通道CNT与芯材间的界面热阻。另外，3D网络结构的热能传输通道增加了声子的快速传输，从而实现了复合相变材料蓄热能力和传热能力的协同增强。
图5 MOFs衍生碳基复合相变材料
要点五：生物质衍生碳基复合相变材料
生物质材料具有来源广泛，价格低廉等优势，因此通过煅烧生物质材料获得多孔碳载体材料，用于封装相变材料更具有实际的应用价值。
煅烧生物质材料可以获得结构多样性的碳载体，例如球形，纤维状，分层，3D结构等。
图6 生物质衍生碳基复合相变材料
要点六：前瞻
1. 当前提高碳基复合相变材料热存储密度的策略主要集中在调节碳材料的孔尺寸上，有关官能团改性、孔形状、多级孔分布策略提升热存储密度的研究相对较少。
2. 与无序结构的碳材料相比，阵列结构的碳材料更有利于协同整合蓄热能力和传热能力。构筑阵列结构的碳材料的简单易行策略值得进一步探索。
3. 尽管许多研究报道了碳材料增强PCM导热系数的实验结果，但大多数研究仍缺乏深入的分子原子层级的机理揭示。
4. 与高效的光热转换相比，碳基复合相变材料的电热转换和磁热转换效率相对较低。
5. 相变材料的转换效率计算方法需要进一步优化，因为目前的计算方法很少考虑到测试环境中的热损失。
6. 为了满足特殊场合的应用需求，开发先进的多功能碳基复合相变材料势在必行。
文章链接：
Carbon-Based Composite Phase Change Materials for Thermal Energy Storage, Transfer, and Conversion, Adv. Sci. 2021, 2001274.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001274
文章来源：科学材料站
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