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據(jù)科技日?qǐng)?bào)記者報(bào)道，5月7日，天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊(duì)研制出一種新型高溫復(fù)合相變材料。該材料具有高儲(chǔ)熱密度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，為太陽(yáng)能光熱發(fā)電及工業(yè)余熱回收等高溫應(yīng)用提供了新的解決方案。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際期刊《先進(jìn)功能材料》。

石墨烯-熔鹽復(fù)合材料的合成機(jī)理及性能

太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源資源豐富，但由于其間歇性和波動(dòng)性，大規(guī)模高效利用始終受制于儲(chǔ)能技術(shù)。如何實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的能量存儲(chǔ)，一直是能源領(lǐng)域的重要研究方向。然而，現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)在應(yīng)對(duì)高溫應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

在冶金及光熱發(fā)電等高溫應(yīng)用場(chǎng)景中，傳統(tǒng)中低溫相變材料難以滿(mǎn)足需求。高溫熔鹽雖具備較高儲(chǔ)熱密度和良好熱穩(wěn)定性，但與石墨烯氣凝膠之間界面潤(rùn)濕性較差，接觸角約為102°。論文通訊作者封偉比喻說(shuō)，這就好比水倒在油的表面上難以鋪展一樣，熔鹽難以通過(guò)常規(guī)浸漬或物理滲透方法均勻復(fù)合到石墨烯骨架中，容易導(dǎo)致熔鹽泄漏及分布不均，從而影響整體性能。

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種界面調(diào)控策略。他們在氧化石墨烯與三元共晶鹽的體系中引入聚乙二醇作為“橋接劑”。聚乙二醇就像一位“雙面膠”，一頭親石墨烯，一頭親熔鹽，有效改善了兩相之間的相容性。在80℃條件下攪拌形成均一凝膠體系后，再經(jīng)液氮定向冷凍、冷凍干燥及高溫退火處理，最終構(gòu)建出穩(wěn)定的石墨烯氣凝膠—熔鹽復(fù)合結(jié)構(gòu)。在退火過(guò)程中，聚乙二醇被完全去除，熔鹽則被成功限域于石墨烯的多孔骨架內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了均勻穩(wěn)定的負(fù)載。

性能測(cè)試結(jié)果表明，這種新型復(fù)合材料的初始熔化焓達(dá)到了531.1焦耳/克，這意味著它單位質(zhì)量?jī)?chǔ)存的熱量非常可觀。在經(jīng)歷50次高溫?zé)嵫h(huán)后，它仍能保持約93%的儲(chǔ)熱能力。在模擬聚光光照條件下，材料可在25秒內(nèi)迅速升溫至550℃，全光譜平均吸收率達(dá)92.7%，光熱轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)91.6%。

更令人驚喜的是，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，材料內(nèi)部的熔鹽晶粒逐步細(xì)化并發(fā)生重新分布，使得石墨烯孔道填充更加致密，導(dǎo)熱性能反而顯著提升——熱導(dǎo)率由0.38瓦每米開(kāi)爾文提高至0.67瓦每米開(kāi)爾文。同時(shí)，石墨烯骨架提供了豐富的異質(zhì)形核位點(diǎn)，有效緩解了熔鹽容易過(guò)冷的問(wèn)題，使相變過(guò)程更加穩(wěn)定可控。

封偉表示，該材料有望應(yīng)用于聚光太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)白天儲(chǔ)熱、夜間釋能，從而有效緩解太陽(yáng)能的間歇性問(wèn)題；在工業(yè)高溫余熱回收等領(lǐng)域也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。目前，團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步優(yōu)化材料的規(guī)模化制備工藝，并推動(dòng)其在實(shí)際光熱系統(tǒng)中的應(yīng)用驗(yàn)證。