One-pot synthesis of carbon nanotube/graphene composite phase change materials based on Pickering emulsion for solar thermal storage
本研究は、ヘキサデカノールで包摂されたカーボンナノチューブ／還元型酸化グラフェン複合相変化材料のワンポット・ピッカリング乳化合成を提示するものであり、これにより漏洩および低熱伝導率の制限を効果的に克服し、太陽熱貯蔵用途への適合性を高めている。
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世界は、太陽から来るエネルギーを捕らえ、保持するためのより優れた方法を常に探し求めています。一つの有望なアプローチは、熱を吸収し、蓄え、そして必要に応じて後で放出できる材料を用いることです。相変化材料として知られるこれらの物質は、固体から液体へと溶ける際に大量のエネルギーを吸収し、再び凍結する際にそのエネルギーを放出することで機能します。このプロセスにより、非常に小さなスペースに膨大な量の熱エネルギーを保持することができ、建物の温度調節から太陽エネルギーの蓄積まで、あらゆる用途に役立ちます。しかし、これらの材料には、広く普及するのを妨げてきた2つの大きな障害があります。第一に、これらは熱伝導性が低いことが多く、つまり、温まったり冷めたりするのに時間がかかりすぎることです。第二に、溶ける際に液体へと変化するため、容器から漏れ出しやすく、散らかった状態を作り出し、システムを使い物にならなくしてしまうことです。
西安石油大学の研究者たちは、これら両方の問題を同時に解決する新しい方法を開発しました。彼らは、ヘキサデカノールと呼ばれるワックス状の物質を、炭素で作られた頑丈な三次元ネットワークの中に閉じ込めた複合材料を作成しました。この構造を構築するために、彼らはピッカリングエマルションと呼ばれる技術を用いました。これは、従来の化学的な界面活性剤（ソープ）ではなく、微細な固体粒子を利用して油と水の混合物を安定させる手法です。この特定のケースでは、研究チームはグラフェン酸化物のシートとカーボンナノチューブの微細な管を使用して、安定化粒子として機能させました。彼らはこれらの炭素成分を溶融したヘキサデカノールと水と混合し、ワックスの液滴が炭素の保護シェルに囲まれた、安定したエマルションを作成しました。密閉された容器の中でこの混合物を加熱することで、グラフェン酸化物を固体の多孔質なスキャフォールド（足場）へと変化させる化学反応を誘発し、ワックスを炭素のケージの中に効果的に閉じ込めました。研究者が「ワンポット合成」と呼ぶこの一段階のプロセスにより、固体であり、漏れがなく、純粋なワックス単体よりもはるかに熱を移動させやすい材料が誕生しました。
結果として得られた材料は、いくつかの異なる組成でテストされ、純粋なワックスと比較して驚異的な改善を示しました。研究者が複合材料の熱伝導性を測定したところ、カーボンナノチューブを加えることで明確な違いが生じることが分かりました。最も多くのナノチューブを含むサンプルは、純粋なヘキサデカノールよりも25.40パーセント熱伝導性が向上していました。この改善は極めて重要です。なぜなら、これは材料が太陽エネルギーを吸収し、蓄えた熱をより速く放出できることを意味し、実世界のアプリケーションにおいてより実用的なものになるからです。また、炭素のフレームワークは漏洩問題も完全に解決しました。研究者が複合材料を70度のセルシウス温度に設定されたホットプレートの上に置いたとき、純粋なヘキカデノールは数分以内に溶けて流れ出しました。対照的に、複合材料は形状を完璧に維持し、長時間の加熱後でも目に見える漏れはありませんでした。炭素のネットが、ワックスを支える硬い骨格として機能し、ワックスが液体に変化したときでもそれを封じ込めたのです。
熱を保持することに加え、この材料は日光を捕らえて熱エネルギーへと変えることにも優れていることが証明されました。炭素成分、特にグラフェンとナノチューブは光を吸収する能力が非常に高いものです。研究者が模擬太陽光をサンプルに照射した際、複合材料は純粋なワックスよりも著しく速く加熱されました。最も多くのカーボンナノチューブを含むサンプルは、わずか600秒で75度まで達しましたが、純粋なワックスは同じ時間で70度にしか達しませんでした。このことは、この材料が太陽エネルギーをより効率的に収穫できることを示唆しており、これは太陽熱蓄熱システムにとって重要な要件です。また、研究者は材料が純粋なワックスよりも速く冷却されることも観察しました。これは、熱を迅速に放出する必要があるシステムにとって有益となる可能性があります。
研究により、炭素とワックスは互いに化学反応を起こして新しい物質を形成したのではなく、物理的に結合していることが確認されました。炭素構造は単に容器と、熱が移動するための高速道路を提供していたに過ぎません。炭素自体は溶けたりエネルギーを蓄えたりしないため、材料が蓄えられる総熱量は純粋なワックスよりもわずかに低くなりましたが、その量は効果的であるのに十分な高さを維持していました。研究者は、この材料が繰り返しの加熱・冷却サイクルを経てもエネルギー蓄積能力を維持していることを指摘しており、これは高い安定性を示しています。漏れがなく、熱伝導性が高く、太陽エネルギーの捕捉効率に優れた材料を作るためのシンプルで拡張可能な手法を用いることで、チームは、将来の熱エネルギーの貯蔵と管理の方法を改善する一助となり得る候補を生み出したのです。
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