四川
来源：Journal of Energy Storage
International Journal of Thermal Sciences
链接：https://doi.org/10.1016/j.est.2025.115617
https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2025.109836
01 背景介绍
固-液相变材料（例如水合盐、蜡等）虽然具有较高的潜热，但在相变过程中常会发生液体泄漏和热导率不足的问题，这限制了其在高温场合中的应用。而固-固相变材料，如新戊二醇，在相变过程中仅发生晶形变化、不会出现液体泄漏，但存在潜热较低、热导率差和较高的成本等问题，这大大限制了其在热能存储和其他工业应用中的普遍使用。另一方面，在探索低共熔溶剂（DES）的传热特性时也发现了类似的问题。DES在高温环境下表现出较低的挥发性和良好的热传导性能，因此有望成为替代传统传热介质的理想材料。但DES的有机组分普遍存在热稳定性差，特别是在高温环境下容易发生热降解或材料变质；二是流变性差，导致热传导效率低、泵送和循环时产生较大的能量损失，这些问题极大地限制了DES在高温和高效能热管理系统中的应用。
02 研究思路
近期，中国矿业大学刘昌会副教授，23级硕士研究生张骁等采用了有机-无机协同策略，通过将新戊二醇与三水乙酸钠进行合理的复合配比制备低共熔物，并引入膨胀石墨来优化材料的热性能，这一组合的核心优势在于，充分利用有机材料的形态稳定性、低腐蚀性等优点，又发挥无机材料高潜热和低成本的优势，从而解决传统单一材料的不足，实现更高效、稳定的热能储存系统。DFT计算表明，有机-无机分子间的强氢键作用保证了二者充分的协同效应。膨胀石墨的加入不仅有效提升了复合材料的热导率，还抑制了三水乙酸钠的相分离现象，从而增强了整体复合材料的循环稳定性和热传导性能。
通过量子化学计算与实验手段，深入分析了甘油-氯化钙DES的分子结构及热稳定性，揭示了氢键与配位作用在提升材料热稳定性方面的关键作用。通过对比实验，发现该DES体系在提高热稳定性的同时，保持了较低的熔点和较高的沸点，具有更广泛的温度适应性。
03 材料优势
相比纯新戊二醇，有机-无机复合相变材料的热导率提升了2.7倍，潜热提升了60%。尤其是在热循环性能方面，复合材料在经历了200次热循环后依然保持稳定的性能，显示了该材料在长时间应用中的耐久性和可靠性。该复合策略不仅提升了材料的热存储能力，还通过避免液态泄漏问题，减少了系统设计中的复杂性和成本。
通过实验测试甘油-氯化钙有机-无机DES的热稳定性和流变特性，证明了该材料在高温环境下的优异性能。结合量子化学计算分析，甘油与氯化钙之间的氢键和配位作用有效增强了系统的稳定性。与传统的热传导介质相比，该DES在中高温环境下表现出了更高的稳定性和更灵活的应用空间。
04 创新性分析
实现了有机-无机相变材料的协同效应，成功将固-固相变材料的新戊二醇与固-液相变材料的三水乙酸钠结合，同时利用膨胀石墨增强热导率，克服了传统相变材料低导热性和泄漏问题。在提升了材料的热储存效率的同时，还通过DFT计算揭示了新戊二醇与三水乙酸钠之间的氢键作用机制，为进一步的材料设计提供了新的方向。
另一方面，通过量子化学计算与实验相结合，深入探讨了甘油-氯化钙DES的分子间作用，揭示了其在热稳定性和热存储能力方面的优势。尤其是通过氢键与配位作用的详细分析，进一步证明了DES在高温应用中的潜力，为高效热管理介质的开发提供了新的思路。
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