One-pot synthesis of carbon nanotube/graphene composite phase change materials based on Pickering emulsion for solar thermal storage

Die Welt sucht ständig nach besseren Wegen, um die Energie einzufangen und zu speichern, die von der Sonne kommt. Ein vielversprechender Ansatz umfasst Materialien, die Wärme aufsaugen, sie speichern und später bei Bedarf wieder abgeben können. Diese Substanzen, bekannt als Phasenwechselmaterialien, funktionieren, indem sie eine große Menge an Energie absorbieren, während sie von einem festen in einen flüssigen Zustand schmelzen, und diese Energie wieder abgeben, wenn sie erneut erstarren. Dieser Prozess ermöglicht es ihnen, riesige Mengen an thermischer Energie auf sehr kleinem Raum zu halten, was sie für alles nutzbar macht – von der Regulierung der Temperatur von Gebäuden bis hin zur Speicherung von Solarenergie für die spätere Nutzung. Diese Materialien stehen jedoch vor zwei bedeutenden Hürden, die ihre breite Anwendung bisher verhindert haben. Erstens sind sie oft schlechte Wärmeleiter, was bedeutet, dass sie zu lange brauchen, um sich zu erwärmen oder abzukühlen. Zweitens verwandeln sie sich beim Schmelzen in eine Flüssigkeit, die leicht aus ihren Behältern auslaufen kann, was eine Unordnung verursacht und das System unbrauchbar macht.

Forscher der Xi'an Shiyou University haben einen neuen Weg entwickelt, um beide Probleme gleichzeitig zu lösen. Sie kreierten ein Verbundmaterial, das eine wachsähnliche Substanz namens Hexadecanol in einem stabilen, dreidimensionalen Netz aus Kohlenstoff einschließt. Um diese Struktur aufzubauen, verwendeten sie eine Technik namens Pickering-Emulsion, die darauf basiert, eine Mischung aus Öl und Wasser durch winzige feste Partikel zu stabilisieren, anstatt herkömmliche chemische Seifen zu verwenden. In diesem speziellen Fall nutzte das Team Graphenoxid-Schichten und winzige Röhrchen aus Kohlenstoffnanoröhren, um als stabilisierende Partikel zu fungieren. Sie mischten diese Kohlenstoffkomponenten mit geschmolzenem Hexadecanol und Wasser und erzeugten so eine stabile Emulsion, bei der die Wachströpfchen von einer schützenden Hülle aus Kohlenstoff umgeben waren. Durch das Erhitzen dieser Mischung in einem versiegelten Behälter lösten sie eine chemische Reaktion aus, die das Graphenoxid in ein festes, poröses Gerüst verwandelte und das Wachs effektiv in einem Kohlenstoffkäfig einschloss. Dieser einstufige Prozess, den die Forscher als „One-Pot-Synthese“ bezeichnen, resultierte in einem Material, das fest, auslaufsicher und wesentlich besser darin ist, Wärme zu leiten, als das Wachs allein.

Das resultierende Material, das das Team in mehreren verschiedenen Formulierungen getestet hat, zeigte bemerkenswerte Verbesserungen gegenüber dem reinen Wachs. Als die Forscher die Wärmeleitfähigkeit des Verbundstoffs maßen, stellten sie fest, dass das Hinzufügen von Kohlenstoffnanoröhrchen einen deutlichen Unterschied machte. Die Probe mit dem höchsten Anteil an Nanoröhrchen leitete Wärme um 25,40 Prozent besser als das reine Hexadecanol. Diese Verbesserung ist entscheidend, da sie bedeutet, dass das Material Solarenergie schneller absorbieren und gespeicherte Wärme schneller abgeben kann, was es praktischer für reale Anwendungen macht. Das Kohlenstoffgerüst löste zudem das Leckageproblem vollständig. Als die Forscher das Verbundmaterial auf eine Heizplatte stellten, die auf 70 Grad Celsius eingestellt war, schmolz das reine Hexadecanol innerhalb weniger Minuten weg und floss ab. Im Gegensatz dazu behielt das Verbundmaterial seine Form perfekt bei, ohne sichtbares Auslaufen, selbst nach längerer Erwärmung. Das Kohlenstoffnetz fungierte als starrer Skelettstruktur, die das Wachs stützte und es selbst dann enthielt, wenn es flüssig wurde.

Über das Halten von Wärme hinaus erwies sich das Material als exzellent darin, Sonnenlicht einzufangen und in thermische Energie umzuwandeln. Die Kohlenstoffkomponenten, insbesondere das Graphen und die Nanoröhrchen, sind sehr gut darin, Licht zu absorbieren. Als die Forscher eine simulierte Sonne auf die Proben richteten, erhitzten sich die Verbundmaterialien deutlich schneller als das reine Wachs. Die Probe mit den meisten Kohlenstoffnanoröhrchen erreichte eine Temperatur von 75 Grad Celsius in nur 600 Sekunden, während das reine Wachs im gleichen Zeitraum nur 70 Grad erreichte. Dies deutet darauf hin, dass das Material Solarenergie effizienter ernten kann, eine Schlüsselanforderung für solarthermische Speichersysteme. Die Forscher beobachteten auch, dass das Material schneller abkühlte als das reine Wachs, was vorteilhaft für Systeme sein könnte, die Wärme schnell abgeben müssen.

Die Studie bestätigte, dass der Kohlenstoff und das Wachs nicht chemisch miteinander reagierten, um eine neue Substanz zu bilden, sondern stattdessen physikalisch kombiniert wurden. Die Kohlenstoffstruktur diente lediglich als Behälter und als Autobahn, über die die Wärme wandern konnte. Obwohl die gesamte Menge an Wärme, die das Material speichern konnte, etwas geringer war als die des reinen Wachses – da der Kohlenstoff selbst nicht schmilzt und keine Energie speichert –, blieb der Wert hoch genug, um effektiv zu sein. Die Forscher merkten an, dass das Material seine Fähigkeit zur Energiespeicherung auch nach wiederholten Heiz- und Kühlzyklen beibehielt, was auf eine starke Stabilität hindeutet. Durch die Verwendung einer einfachen, skalierbaren Methode zur Herstellung eines Materials, das auslaufsicher, wärmeleitfähig und effizient bei der Einfangung von Solarenergie ist, hat das Team einen Kandidaten geschaffen, der dabei helfen könnte, die Speicherung und das Management thermischer Energie in der Zukunft zu verbessern.