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

De wereld is voortdurend op zoek naar betere manieren om de energie die van de zon komt te vangen en vast te houden. Een veelbelovende aanpak omvat materialen die warmte kunnen absorberen, opslaan en later weer afgeven wanneer dat nodig is. Deze stoffen, bekend als faseveranderingsmaterialen, werken door een grote hoeveelheid energie te absorberen terwijl ze smelten van een vaste naar een vloeibare vorm, en die energie weer terug te geven wanneer ze opnieuw stollen. Dit proces maakt het mogelijk om enorme hoeveelheden thermische energie in een zeer kleine ruimte vast te houden, wat ze nuttig maakt voor alles van het reguleren van de temperatuur in gebouwen tot het opslaan van zonne-energie voor later gebruik. Deze materialen worden echter geconfronteerd met twee aanzienlijke hindernissen die hun brede adoptie in de weg hebben gestaan. Ten eerste zijn ze vaak slechte warmtegeleiders, wat betekent dat het te lang duurt voordat ze opwarmen of afkoelen. Ten tweede, wanneer ze smelten, veranderen ze in een vloeistof die gemakkelijk uit hun containers kan lekken, wat een rommel veroorzaakt en het systeem onbruikbaar maakt.

Onderzoekers aan de Xi'an Shiyou Universiteit hebben een nieuwe manier ontwikkeld om beide problemen in één keer op te lossen. Ze creëerden een composietmateriaal dat een wasachtige stof genaamd hexadecanol gevangen houdt in een stevig, driedimensionaal netwerk van koolstof. Om deze structuur te bouwen, gebruikten ze een techniek genaamd Pickering-emulsie, die vertrouwt op minuscule vaste deeltjes om een mengsel van olie en water te stabiliseren, in plaats van traditionele chemische zepen. In dit specifieke geval gebruikte het team vellen grafeenoxide en minuscule buisjes koolstofnanobuisjes om als de stabiliserende deeltjes te fungeren. Ze mengden deze koolstofcomponenten met gesmolten hexadecanol en water, waardoor ze een stabiele emulsie creëerden waarbij de wasdruppels werden omringd door een beschermende schil van koolstof. Door dit mengsel in een afgesloten container te verhitten, brachten ze een chemische reactie teweeg die het grafeenoxide in een solide, poreus frame veranderde, waardoor de was effectief in een koolstofkooi werd opgesloten. Deze eenstapsmethode, die de onderzoekers een "one-pot synthesis" noemen, resulteerde in een materiaal dat solide, lekbestendig en veel beter in staat is om warmte te verplaatsen dan de was alleen.

Het resulterende materiaal, dat het team in verschillende samenstellingen heeft getest, vertoonde opmerkelijke verbeteringen ten opzichte van de pure was. Wanneer de onderzoekers maten hoe goed het composiet de warmte geleidde, merkten ze dat het toevoegen van de koolstofnanobuisjes een duidelijk verschil maakte. Het monster met de hoogste hoeveelheid nanobuisjes geleidde warmte 25,40 procent beter dan de pure hexadecanol. Deze verbetering is cruciaal omdat het betekent dat het materiaal zonne-energie kan absorberen en opgeslagen warmte veel sneller kan afgeven, wat het praktischer maakt voor realistische toepassingen. Het koolstofraamwerk loste ook het lekprobleem volledig op. Toen de onderzoekers het composiet op een warmteplaat plaatsten die op 70 graden Celsius was ingesteld, smolt de pure hexadecanol en stroomde binnen enkele minuten weg. In tegen_gestelde daartoe behield het composietmateriaal perfect zijn vorm, zonder zichtbaar lekken, zelfs na langdurige verhitting. Het koolstofnetwerk fungeerde als een rigide skelet dat de was ondersteunde en het binnen de grenzen hield, zelfs toen het vloeibaar werd.

Naast het vasthouden van warmte, bleek het materiaal uitstekend in het opvangen van zonlicht en het omzetten ervan in thermische energie. De koolstofcomponenten, met name het grafeen en de nanobuisjes, zijn erg goed in het absorberen van licht. Wanneer de onderzoekers een gesimuleerde zon op de monsters schijnen, warmden de composietmaterialen aanzienlijk sneller op dan de pure was. Het monster met de meeste koolstofnanobuisjes bereikte een temperatuur van 75 graden Celsius in slechts 600 seconden, terwijl de pure was in dezelfde tijd slechts 70 graden bereikte. Dit suggereert dat het materiaal zonne-energie efficiënter kan oogsten, een belangrijke vereiste voor zonnethermische opslagsystemen. De onderzoekers observeerden ook dat het materiaal sneller afkoelde dan de pure was, wat gunstig kan zijn voor systemen die snel warmte moeten afgeven.

De studie bevestigde dat de koolstof en de was niet chemisch met elkaar reageerden om een nieuwe substantie te vormen; in plaats daarvan werden ze fysiek gecombineerd. De koolstofstructuur bood simpelweg een container en een snelweg waar de warmte door kon reizen. Hoewel de totale hoeveelheid warmte die het materiaal kon opslaan iets lager was dan die van de pure was — omdat de koolstof zelf niet smelt en energie opslaat — bleef het bedrag hoog genoeg om effectief te zijn. De onderzoekers merkten op dat het materiaal zijn vermogen om energie op te slaan behield na herhaalde verwarmings- en afkoelcycli, wat wijst op een sterke stabiliteit. Door een eenvoudige, schaalbare methode te gebruiken om een materiaal te creëren dat lekbestendig, thermisch geleidend en efficiënt is in het opvangen van zonne-energie, heeft het team een kandidaat geproduceerd die kan helpen bij het verbeteren van hoe we thermische energie opslaan en beheren in de toekomst.