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

Le monde recherche constamment de meilleures façons de capturer et de conserver l'énergie provenant du soleil. Une approche prometteuse implique des matériaux capables d'absorber la chaleur, de la stocker et de la restituer plus tard lorsque cela est nécessaire. Ces substances, connues sous le nom de matériaux à changement de phase, fonctionnent en absorbant une grande quantité d'énergie lorsqu'elles passent de l'état solide à l'état liquide, puis en restituant cette énergie lorsqu'elles se figent à nouveau. Ce processus permet de stocker de vastes quantités d'énergie thermique dans un espace très réduit, ce qui les rend utiles pour tout, de la régulation de la température des bâtiments au stockage de l'énergie solaire pour une utilisation ultérieure. Cependant, ces matériaux sont confrontés à deux obstacles importants qui ont empêché leur adoption généralisée. Premièrement, ils sont souvent de mauvais conducteurs de chaleur, ce qui signifie qu'ils mettent trop de temps à se réchauffer ou à se refroidir. Deuxièmement, lorsqu'ils fondent, ils se transforment en un liquide qui peut facilement s'échapper de leurs contenants, créant un désordre et rendant le système inutile.

Des chercheurs de l'université de Xi'an Shiyou ont développé une nouvelle façon de résoudre ces deux problèmes à la fois. Ils ont créé un matériau composite qui piège une substance semblable à de la cire, appelée hexadécanol, à l'intérieur d'un réseau tridimensionnel robuste fait de carbone. Pour construire cette structure, ils ont utilisé une technique appelée émulsion de Pickering, qui repose sur de minuscules particules solides pour stabiliser un mélange d'huile et d'eau, plutôt que d'utiliser des savons chimiques traditionnels. Dans ce cas précis, l'équipe a utilisé des feuilles d'oxyde de graphène et de minuscules tubes de nanotubes de carbone pour agir comme les particules stabilisatrices. Ils ont mélangé ces composants de carbone avec de l'hexadécanol fondu et de l'eau, créant une émulsion stable où les gouttelettes de cire étaient entourées d'une coque protectrice de carbone. En chauffant ce mélange dans un récipient scellé, ils ont déclenché une réaction chimique qui a transformé l'oxyde de graphène en un échafaudage solide et poreux, verrouillant efficacement la cire à l'intérieur d'une cage de carbone. Ce processus en une seule étape, que les chercheurs appellent une synthèse "one-pot", a abouti à un matériau qui est solide, sans fuite et bien meilleur pour déplacer la chaleur que la cire seule.

Le matériau résultant, que l'équipe a testé dans plusieurs formulations différentes, a montré des améliorations remarquables par rapport à la cire pure. Lorsque les chercheurs ont mesuré la capacité de conduction thermique du composite, ils ont constaté que l'ajout de nanotubes de carbone faisait une différence nette. L'échantillon contenant la plus grande quantité de nanotubes conduisait la chaleur 25,40 % mieux que l'hexadécanol pur. Cette amélioration est cruciale car elle signifie que le matériau peut absorber l'énergie solaire et restituer la chaleur stockée beaucoup plus rapidement, ce qui le rend plus pratique pour des applications réelles. La structure de carbone a également résolu complètement le problème de fuite. Lorsque les chercheurs ont placé le composite sur une plaque chauffante réglée à 70 degrés Celsius, l'hexadécanol pur a fondu et s'est écoulé en quelques minutes. En revanche, le matériau composite a parfaitement conservé sa forme, sans fuite visible, même après un chauffage prolongé. Le réseau de carbone a agi comme un squelette rigide qui soutenait la cire, la maintenant contenue même lorsqu'elle devenait liquide.

Au-delà de la simple rétention de la chaleur, le matériau s'est avéré excellent pour capturer la lumière du soleil et la transformer en énergie thermique. Les composants de carbone, particulièrement le graphène et les nanotubes, sont très bons pour absorber la lumière. Lorsque les chercheurs ont projeté un soleil simulé sur les échantillons, les matériaux composites se sont réchauffés nettement plus vite que la cire pure. L'échantillon possédant le plus de nanotubes de carbone a atteint une température de 75 degrés Celsius en seulement 600 secondes, tandis que la cire pure n'atteignait que 70 degrés sur la même période. Cela suggère que le matériau peut récolter l'énergie solaire plus efficacement, une exigence clé pour les systèmes de stockage thermique solaire. Les chercheurs ont également observé que le matériau refroidissait plus rapidement que la cire pure, ce qui pourrait être bénéfique pour les systèmes nécessitant une libération rapide de chaleur.

L'étude a confirmé que le carbone et la cire n'ont pas réagi chimiquement entre eux pour former une nouvelle substance ; au lieu de cela, ils ont été combinés physiquement. La structure de carbone a simplement fourni un contenant et une autoroute pour le passage de la chaleur. Bien que la quantité totale de chaleur que le matériau pouvait stocker soit légèrement inférieure à celle de la cire pure — car le carbone lui-même ne fond pas et ne stocke pas d'énergie — le montant restait suffisamment élevé pour être efficace. Les chercheurs ont noté que le matériau maintenait sa capacité à stocker de l'énergie même après des cycles répétés de chauffage et de refroidissement, indiquant une forte stabilité. En utilisant une méthode simple et évolutive pour créer un matériau qui ne fuit pas, qui est thermiquement conducteur et efficace pour capturer l'énergie solaire, l'équipe a produit un candidat qui pourrait aider à améliorer la façon dont nous stockons et gérons l'énergie thermique à l'avenir.