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

世界一直在寻找更好的方法来捕捉并储存来自太阳的能量。一种极具前景的方法涉及能够吸收热量、储存热量并在需要时将其释放的材料。这些被称为相变材料的物质，通过在从固体熔化为液体的过程中吸收大量能量，并在重新冻结时将这些能量释放出来来发挥作用。这一过程使得它们能够在极小的空间内储存大量的热能，使其在从调节建筑物温度到为稍后使用储存太阳能等各种领域都非常有用。然而，这些材料面临着两个显著的障碍，这使得它们未能得到广泛应用。首先，它们通常是热的不良导体，这意味着它们升温或降温的速度太慢。其次，当它们熔化时，会变成容易从容器中泄漏出来的液体，造成混乱并使系统失效。

西安石油大学的研究人员开发了一种新方法来同时解决这两个问题。他们创造了一种复合材料，将一种被称为十六烷醇的蜡状物质捕捉在由碳构成的坚固三维网络中。为了构建这种结构，他们使用了一种称为皮克林乳液（Pickering emulsion）的技术，该技术依赖于微小的固体颗粒来稳定油水混合物，而不是使用传统的化学皂。在这种特定情况下，研究团队使用氧化石墨烯片和微小的碳纳米管作为稳定颗粒。他们将这些碳组分与熔融的十六烷醇和水混合，创造出一种稳定的乳液，其中蜡滴被一层碳保护壳所包围。通过在密封容器中加热这种混合物，他们触发了一种化学反应，将氧化石墨烯转化为一个固体的、多孔的支架，有效地将蜡锁在碳笼之中。这个研究人员称之为“一锅法合成”的一步法过程，产生了一种既是固体、又防泄漏，且比纯蜡更擅长传递热量的材料。

研究团队测试了多种不同配方的所得材料，结果显示其性能较纯蜡有了显著提升。当研究人员测量复合材料的导热性能时，他们发现添加碳纳米管确实带来了明显的差异。含有最高含量纳米管的样品比纯十六烷醇的导热性提高了25.40%。这种改进至关重要，因为这意味着材料可以更快地吸收太阳能并释放储存的热量，使其在实际应用中更具实用性。碳框架也完全解决了泄漏问题。当研究人员将复合材料放在设定为70摄氏度的热板上时，纯十六烷醇在几分钟内就熔化并流失了。相比之下，复合材料保持了其形状，没有可见的泄漏，即使在长时间加热后也是如此。碳网充当了一个刚性的骨架来支撑蜡，即使在蜡变成液体时也能将其约束住。

除了储热之外，该材料在捕捉阳光并将其转化为热能方面也表现出色。碳组分，特别是石墨烯和纳米管，非常擅长吸收光线。当研究人员用模拟太阳照射样品时，复合材料的升温速度明显快于纯蜡。含有最多碳纳米管的样品在短短600秒内就达到了75摄氏度，而纯蜡在相同时间内仅达到70摄氏度。这表明该材料可以更高效地收集太阳能，这是太阳能热存储系统的关键要求。研究人员还观察到，该材料的冷却速度比纯蜡更快，这对于需要快速释放热量的系统可能是有利的。

研究证实，碳和蜡之间并没有发生化学反应生成新物质；相反，它们是物理结合在一起的。碳结构仅仅提供了一个容器和热量传输的通道。虽然该材料能够储存的总热量比纯蜡略低——因为碳本身不会熔化并储存能量——但其热容量仍然高到足以发挥作用。研究人员指出，该材料在经过反复的加热和冷却循环后仍能保持储能能力，表明其具有很强的稳定性。通过使用一种简单、可扩展的方法来制造一种防泄漏、高导热且能高效捕捉太阳能的材料，该团队开发出了一种有望帮助改善未来热能存储与管理方式的候选材料。