北科大王戈&杨穆Nano Energy: 3D高石墨化网状碳材料的构筑及其优异的热存储性能

【引言】

能源是人类赖以生存的物质基础，是社会和经济可持续发展的重要物质保障。相变材料（Phase Change Materials，PCMs）可以利用材料的相变过程，吸收并将环境的热能存储起来，并在需要时将热能释放出来，可以有效地解决时空热能供给和需求之间不平衡的矛盾。目前，相变材料已在建筑节能、工业余热利用、太阳能利用等诸多领域有着广泛的应用潜力。但是，纯PCMs的泄漏问题和低导热性仍然极大地限制了相变材料的吸放热效率，因此，在确保高效的热存储能力的前提下，如何有效地解决泄露问题和提升热导率成为相变材料领域研究的焦点。

【成果简介】

北京科技大学材料科学与工程学院王戈教授和杨穆教授（共同通讯作者）指导博士生陈晓（第一作者），利用交联剂DVB通过一步高温煅烧法实现了对碳量子点衍生碳材料结构的有效调控，最终利用合适的煅烧温度和交联剂用量协同构筑了一种相互紧密贯穿的3D高石墨化网络碳材料。以此碳材料为载体通过毛细作用力封装聚乙二醇制备的定型复合相变材料不仅有效地解决了传统的泄露问题，而且还集成了高的热存储容量和增强的导热系数两大优点，这是由于高度sp²杂化的相互紧密贯穿的3D网络碳材料可以强化声子的传播振动。与传统的引入大量高热导率添加物来提高PCMs热导率方法相比，这种方法显著降低了热能存储密度的牺牲程度。此外，制备的定型复合相变材料具有持久的热稳定性，在可再生热能储存领域表现出大的应用潜力。相关研究成果近期发表在国际顶级能源期刊Nano Energy (影响因子：12.343)上，题为“Highly graphitized 3D network carbon for shape-stabilized composite PCMs with superior thermal energy harvesting”

【图文导读】
图一：复合相变材料制备示意图及CQDs表征

(a) 复合相变材料制备示意图

(b) CQDs的TEM及粒径分布

(c-d) CQDs的XPS

(e-g) CQDs的荧光图像
图二：碳材料的SEM和TEM形貌

不同煅烧温度和DVB用量下制备的碳材料的SEM和TEM图像

图三：碳材料的Raman光谱

不同煅烧温度和DVB用量下制备的碳材料的拉曼光谱

 
图四：热存储性能

（a-c）复合相变材料的DSC图和（d）相应的热焓值

图五：热传导能力和热循环稳定性

(a-c) 复合相变材料的红外热成像图

(d) 复合相变材料的温度-时间曲线图

(e-f) 复合相变材料的热导率

(g) 复合相变材料的焓值循环稳定性

(h-i) 复合相变材料的热循环稳定性

【小结】

本文提出了一种简单，低成本的一步煅烧方法构筑相互紧密贯穿的3D高石墨化的导热网络碳材料。交联剂DVB的引入一方面实现了CQDs衍生碳纳米片自组装孔的有效调控，另一方面能够与煅烧温度协同增强多孔碳的石墨化程度。以此3D高石墨化碳材料为载体封装制备的定型复合相变材料不仅有效解决了传统的泄露问题，而且还集成了相变材料的高负载量和增强的热传导系数两大优势。此外，高石墨化三维网络多孔碳封装的复合相变材料其潜热非常接近理论值，同时还具有优异的定型能力和热循环稳定性。

文献链接：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

【通讯作者简介】

王戈，教授，博士生导师，2002年于美国Michigan Technological University化学系获得理学博士学位，2012年被聘为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2013年入选国家百千万人才工程，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号。在Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Energy, ACS Catal.等国际期刊发表SCI收录论文140余篇。研究工作先后被ACS News, Nanotechweb, Science Daily等多家美国、英国、中国的科研及新闻媒体做专题报道或亮点评述。多次担任功能材料及交叉领域国际会议的联合主席、组委会副主席及科学委员会委员，并在多个国内外学术会议上做特邀报告。2011年获北京市科学技术奖二等奖（第一完成人），2016年获高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖（第一完成人）。主要研究方向包括新型催化材料和节能储能材料。

杨穆，教授，博士生导师，2005年毕业于中国科学院化学研究所高分子物理与化学专业，获得理学博士学位。主要从事特殊形貌纳米高分子材料、功能微球材料、催化材料等研究工作。作为主要研究人员参与了科技部“973”项目子课题1项、科技部“863”项目1项、国家自然科学基金2项，主持教育部博士点新教师基金1项、国家自然科学基金面上项目1项。目前在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Fun. Mater. 等杂志上发表论文80余篇；会议论文如美国化学会年会论文20余篇，已申请国家发明专利33项，已授权15项；申请国际发明专利1项。

更多成果信息欢迎访问课题组主页：http://www.nmclyjs-ustb.com/

本文由第一作者陈晓供稿。