北科大王戈&楊穆Nano Energy: 3D高石墨化網狀碳材料的構筑及其優異的熱存儲性能

【引言】

能源是人類賴以生存的物質基礎，是社會和經濟可持續發展的重要物質保障。相變材料（Phase Change Materials，PCMs）可以利用材料的相變過程，吸收并將環境的熱能存儲起來，并在需要時將熱能釋放出來，可以有效地解決時空熱能供給和需求之間不平衡的矛盾。目前，相變材料已在建筑節能、工業余熱利用、太陽能利用等諸多領域有著廣泛的應用潛力。但是，純PCMs的泄漏問題和低導熱性仍然極大地限制了相變材料的吸放熱效率，因此，在確保高效的熱存儲能力的前提下，如何有效地解決泄露問題和提升熱導率成為相變材料領域研究的焦點。

【成果簡介】

北京科技大學材料科學與工程學院王戈教授和楊穆教授（共同通訊作者）指導博士生陳曉（第一作者），利用交聯劑DVB通過一步高溫煅燒法實現了對碳量子點衍生碳材料結構的有效調控，最終利用合適的煅燒溫度和交聯劑用量協同構筑了一種相互緊密貫穿的3D高石墨化網絡碳材料。以此碳材料為載體通過毛細作用力封裝聚乙二醇制備的定型復合相變材料不僅有效地解決了傳統的泄露問題，而且還集成了高的熱存儲容量和增強的導熱系數兩大優點，這是由于高度sp²雜化的相互緊密貫穿的3D網絡碳材料可以強化聲子的傳播振動。與傳統的引入大量高熱導率添加物來提高PCMs熱導率方法相比，這種方法顯著降低了熱能存儲密度的犧牲程度。此外，制備的定型復合相變材料具有持久的熱穩定性，在可再生熱能儲存領域表現出大的應用潛力。相關研究成果近期發表在國際頂級能源期刊Nano Energy?(影響因子：12.343)上，題為“Highly graphitized 3D network carbon for shape-stabilized composite PCMs with superior thermal energy harvesting”

【圖文導讀】
圖一：復合相變材料制備示意圖及CQDs表征

(a) 復合相變材料制備示意圖

(b) CQDs的TEM及粒徑分布

(c-d) CQDs的XPS

(e-g) CQDs的熒光圖像
圖二：碳材料的SEM和TEM形貌

不同煅燒溫度和DVB用量下制備的碳材料的SEM和TEM圖像

圖三：碳材料的Raman光譜

不同煅燒溫度和DVB用量下制備的碳材料的拉曼光譜

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圖四：熱存儲性能

（a-c）復合相變材料的DSC圖和（d）相應的熱焓值

圖五：熱傳導能力和熱循環穩定性

(a-c) 復合相變材料的紅外熱成像圖

(d) 復合相變材料的溫度-時間曲線圖

(e-f) 復合相變材料的熱導率

(g) 復合相變材料的焓值循環穩定性

(h-i) 復合相變材料的熱循環穩定性

【小結】

本文提出了一種簡單，低成本的一步煅燒方法構筑相互緊密貫穿的3D高石墨化的導熱網絡碳材料。交聯劑DVB的引入一方面實現了CQDs衍生碳納米片自組裝孔的有效調控，另一方面能夠與煅燒溫度協同增強多孔碳的石墨化程度。以此3D高石墨化碳材料為載體封裝制備的定型復合相變材料不僅有效解決了傳統的泄露問題，而且還集成了相變材料的高負載量和增強的熱傳導系數兩大優勢。此外，高石墨化三維網絡多孔碳封裝的復合相變材料其潛熱非常接近理論值，同時還具有優異的定型能力和熱循環穩定性。

文獻鏈接：Xiao Chen, Hongyi Gao, Mu Yang^*, Wenjun Dong, Xiubing Huang, Ang Li, Cheng Dong, Ge Wang^*, Highly graphitized 3D network carbon for shape-stabilized composite PCMs with superior thermal energy harvesting,?Nano Energy, 49 (2018) 86-94. DOI: org/10.1016/j.nanoen.2018.03.075

【通訊作者簡介】

王戈，教授，博士生導師，2002年于美國Michigan Technological University化學系獲得理學博士學位，2012年被聘為教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，2013年入選國家百千萬人才工程，并被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號。在Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Energy, ACS Catal.等國際期刊發表SCI收錄論文140余篇。研究工作先后被ACS News, Nanotechweb, Science Daily等多家美國、英國、中國的科研及新聞媒體做專題報道或亮點評述。多次擔任功能材料及交叉領域國際會議的聯合主席、組委會副主席及科學委員會委員，并在多個國內外學術會議上做特邀報告。2011年獲北京市科學技術獎二等獎（第一完成人），2016年獲高等學校科學研究優秀成果獎自然科學獎一等獎（第一完成人）。主要研究方向包括新型催化材料和節能儲能材料。

楊穆，教授，博士生導師，2005年畢業于中國科學院化學研究所高分子物理與化學專業，獲得理學博士學位。主要從事特殊形貌納米高分子材料、功能微球材料、催化材料等研究工作。作為主要研究人員參與了科技部“973”項目子課題1項、科技部“863”項目1項、國家自然科學基金2項，主持教育部博士點新教師基金1項、國家自然科學基金面上項目1項。目前在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Fun. Mater. 等雜志上發表論文80余篇；會議論文如美國化學會年會論文20余篇，已申請國家發明專利33項，已授權15項；申請國際發明專利1項。

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本文由第一作者陳曉供稿。