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

O mundo está constantemente em busca de melhores maneiras de capturar e reter a energia que vem do sol. Uma abordagem promissora envolve materiais que podem absorver calor, armazená-lo e liberá-lo mais tarde, quando necessário. Essas substâncias, conhecidas como materiais de mudança de fase, funcionam absorvendo uma grande quantidade de energia conforme derretem de um sólido para um líquido, e depois devolvendo essa energia quando congelam novamente. Esse processo permite que eles guardem vastas quantidades de energia térmica em um espaço muito pequeno, tornando-os úteis para tudo, desde a regulação da temperatura de edifícios até o armazenamento de energia solar para uso posterior. No entanto, esses materiais enfrentam dois obstáculos significativos que os impediram de serem amplamente adotados. Primeiro, eles são frequentemente maus condutores de calor, o que significa que levam muito tempo para aquecer ou esfriar. Segundo, quando derretem, transformam-se em um líquido que pode vazar facilmente de seus recipientes, criando uma bagunça e tornando o sistema inútil.

Pesquisadores da Universidade Xi'an Shiyou desenvolveram uma nova maneira de resolver ambos os problemas de uma só vez. Eles criaram um material composto que aprisiona uma substância semelhante à cera chamada hexadecanol dentro de uma rede tridimensional robusta feita de carbono. Para construir essa estrutura, eles usaram uma técnica chamada emulsão de Pickering, que se baseia em minúsculas partículas sólidas para estabilizar uma mistura de óleo e água, em vez de usar sabões químicos tradicionais. Neste caso específico, a equipe usou folhas de óxido de grafeno e pequenos tubos de nanotubos de carbono para atuar como as partículas estabilizadoras. Eles misturaram esses componentes de carbono com hexadecanol fundido e água, criando uma emulsão estável onde as gotas de cera eram cercadas por uma camada protetora de carbono. Ao aquecer essa mistura em um recipiente selado, eles desencadearam uma reação química que transformou o óxido de grafeno em um arcabouço poroso e sólido, efetivamente prendendo a cera dentro de uma gaiola de carbono. Este processo de etapa única, que os pesquisadores chamam de síntese de pote único (one-pot synthesis), resultou em um material que é sólido, à prova de vazamentos e muito melhor em mover o calor do que a cera sozinha.

O material resultante, que a equipe testou em várias formulações diferentes, mostrou melhorias notáveis em relação à cera pura. Quando os pesquisadores mediram o quão bem esse composto conduzia o calor, descobriram que a adição dos nanotubos de carbono fez uma diferença clara. A amostra com a maior quantidade de nanotubos conduzia o calor 25,40 por cento melhor do que o hexadecanol puro. Essa melhoria é crucial porque significa que o material pode absorver energia solar e liberar o calor armazenado muito mais rápido, tornando-o mais prático para aplicações do mundo real. A estrutura de carbono também resolveu completamente o problema do vazamento. Quando os pesquisadores colocaram o composto em uma placa de aquecimento ajustada a 70 graus Celsius, o hexadecanol puro derreteu e escorreu em poucos minutos. Em contraste, o material composto manteve sua forma perfeitamente, sem vazamentos visíveis, mesmo após o aquecimento prolongado. A rede de carbono atuou como um esqueleto rígido que suportou a cera, mantendo-a contida mesmo quando se tornava líquida.

Além de apenas reter o calor, o material provou ser excelente em capturar a luz solar e transformá-la em energia térmica. Os componentes de carbono, particularmente o grafeno e os nanotubos, são muito bons em absorver a luz. Quando os pesquisadores incidiram um sol simulado sobre as amostras, os materiais compostos aqueceram significativamente mais rápido do que a cera pura. A amostra com a maior quantidade de nanotubos de carbono atingiu a temperatura de 75 graus Celsius em apenas 600 segundos, enquanto a cera pura atingiu apenas 70 graus no mesmo período de tempo. Isso sugere que o material pode colher a energia solar de forma mais eficiente, um requisito fundamental para sistemas de armazenamento térmico solar. Os pesquisadores também observaram que o material esfriava mais rápido do que a cera pura, o que poderia ser benéfico para sistemas que precisam liberar calor rapidamente.

O estudo confirmou que o carbono e a cera não reagiram quimicamente entre si para formar uma nova substância; em vez disso, foram combinados fisicamente. A estrutura de carbono simplesmente forneceu um recipiente e uma via para o calor viajar através dela. Embora a quantidade total de calor que o material podia armazenar fosse ligeiramente inferior à da cera pura — porque o próprio carbono não derrete nem armazena energia — o montante permaneceu alto o suficiente para ser eficaz. Os pesquisadores observaram que o material manteve sua capacidade de armazenar energia mesmo após repetidos ciclos de aquecimento e resfriamento, indicando forte estabilidade. Ao utilizar um método simples e escalável para criar um material que é à prova de vazamentos, termicamente condutivo e eficiente na captura de energia solar, a equipe produziu um candidato que pode ajudar a melhorar como armazenamos e gerenciamos a energia térmica no futuro.