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

Il mondo è costantemente alla ricerca di modi migliori per catturare e trattenere l'energia che proviene dal sole. Un approccio promettente coinvolge materiali che possono assorbire il calore, immagazzinarlo e rilasciarlo quando necessario. Queste sostanze, note come materiali a cambiamento di fase, funzionano assorbendo una grande quantità di energia mentre passano dallo stato solido a quello liquido durante la fusione, e restituendo tale energia quando congelano nuovamente. Questo processo permette loro di trattenere enormi quantità di energia termica in uno spazio molto piccolo, rendendoli utili per tutto, dalla regolazione della temperatura degli edifici allo stoccaggio dell'energia solare per un uso successivo. Tuttavia, questi materiali devono affrontare due ostacoli significativi che ne hanno impedito l'adozione su larga scala. Primo, sono spesso scarsi conduttori di calore, il che significa che impiegano troppo tempo per riscaldarsi o raffreddarsi. Secondo, quando si sciolgono, si trasformano in un liquido che può facilmente fuoriuscire dai loro contenitori, creando disordine e rendendo il sistema inutile.

I ricercatori della Xi'an Shiyou University hanno sviluppato un nuovo modo per risolvere entrambi i problemi contemporaneamente. Hanno creato un materiale composito che intrappola una sostanza simile alla cera chiamata esadecanolo all'interno di una robusta rete tridimensionale fatta di carbonio. Per costruire questa struttura, hanno utilizzato una tecnica chiamata emulsione di Pickering, che si basa su minuscole particelle solide per stabilizzare una miscela di olio e acqua, invece di utilizzare i tradizionali saponi chimici. In questo caso specifico, il team ha utilizzato fogli di ossido di grafene e minuscoli tubi di nanotubi di carbonio per agire come particelle stabilizzanti. Hanno mescolato questi componenti di carbonio con esadecanolo fuso e acqua, creando un'emulsione stabile in cui le gocce di cera erano circondate da un guscio protettivo di carbonio. Riscaldando questa miscela in un contenitore sigillato, hanno innescato una reazione chimica che ha trasformato l'ossido di grafene in uno scaffold poroso e solido, bloccando efficacementamente la cera all'interno di una gabbia di carbonio. Questo processo in un unico passaggio, che i ricercatori chiamano sintesi "one-pot", ha dato origine a un materiale che è solido, a tenuta stagna e molto più efficiente nel trasportare il calore rispetto alla sola cera.

Il materiale risultante, che il team ha testato in diverse formulazioni, ha mostrato miglioramenti straordinari rispetto alla cera pura. Quando i ricercatori hanno misurato quanto bene questo composito conducesse il calore, hanno scoperto che l'aggiunta di nanotubi di carbonio faceva una chiara differenza. Il campione con la maggiore quantità di nanotubi conduceva il calore del 25,40 percento meglio rispetto all'esadecanolo puro. Questo miglioramento è fondamentale perché significa che il materiale può assorbire l'energia solare e rilasciare il calore immagazzinato molto più velocemente, rendendolo più pratico per applicazioni nel mondo reale. La struttura di carbonio ha anche risolto completamente il problema delle perdite. Quando i ricercatori hanno posizionato il composito su una piastra riscaldante impostata a 70 gradi Celsius, l'esadecanolo puro si è sciolto e defluito in pochi minuti. Al contrario, il materiale composito ha mantenuto perfettamente la sua forma, senza perdite visibili, anche dopo un riscaldamento prolungato. La rete di carbonio ha agito come uno scheletro rigido che sosteneva la cera, mantenendola contenuta anche quando diventava liquida.

Oltre a trattenere il calore, il materiale si è dimostrato eccellente nel catturare la luce solare e trasformarla in energia termica. I componenti di carbonio, in particolare il grafene e i nanotubi, sono molto bravi ad assorbire la luce. Quando i ricercatori hanno illuminato i campioni con un sole simulato, i materiali compositi si sono riscaldati significativamente più velocemente della cera pura. Il campione con la maggior quantità di nanotubi di carbonio ha raggiunto una temperatura di 75 gradi Celsius in soli 600 secondi, mentre la cera pura raggiungeva solo i 70 gradi nello stesso intervallo di tempo. Ciò suggerisce che il materiale può raccogliere l'energia solare in modo più efficiente, un requisito chiave per i sistemi di stoccaggio termico solare. I ricercatori hanno anche osservato che il materiale si raffreddava più velocemente della cera pura, il che potrebbe essere vantaggioso per i sistemi che necessitano di rilasciare calore rapidamente.

Lo studio ha confermato che il carbonio e la cera non hanno reagito chimicamente tra loro per formare una nuova sostanza; invece, sono stati combinati fisicamente. La struttura di carbonio ha semplicemente fornito un contenitore e un'autostrada per il transito del calore. Sebbene la quantità totale di calore che il materiale poteva immagazzinare fosse leggermente inferiore rispetto a quella della cera pura — poiché il carbonio stesso non fonde né immagazzina energia — l'entità rimaneva comunque sufficientemente alta da essere efficace. I ricercatori hanno notato che il materiale manteneva la sua capacità di immagazzinare energia anche dopo ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento, indicando una forte stabilità. Utilizzando un metodo semplice e scalabile per creare un materiale che sia a tenuta stagna, termicamente conduttivo ed efficiente nella cattura dell'energia solare, il team ha prodotto un candidato che potrebbe aiutare a migliorare il modo in cui stocchiamo e gestiamo l'energia termica in futuro.