光热转换作为太阳能利用的重要方向之一，其瞬时可用性一直限制其应用范围。因此，用最简单的方法构建具有合理网络支撑和低泄漏的复合光热相变材料(PCM)，通过相变材料自身的潜热实现太阳能的长期转换和存储，对于解决太阳能瞬态可用性，实现持久能量输出具有重要意义。
图1：交联网络结构多功能细菌纤维素相变膜的一步构建和应用
近期，东华大学张圣明博士后、陈仕艳和王华平教授团队以细菌纤维素(BC)为载体材料，甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为一级交联剂，羟基化碳纳米管(HCNT)为二级交联剂和光热材料，PEG为相变材料，采用最简单的一步原位合成法制备了一种具有交联网络结构的多功能硅烷化BC/HCNT/PEG (SBTP)复合光热膜(图1)。简化了复合光热膜的制备流程，实现了BC网络的增强，HCNT的优良分散性以及PEG分子链的直接引入和完美互锁。因此，最佳的SBTP光热复合膜展现优异的热诱导柔韧性、可定制性、改善的机械性能、可调节的亲水性和提高的热导率(图2)。此外，最佳的SBTP薄膜还表现出145.1 J g?1的高热焓，超过94%的焓效率，优异的形状稳定性和<1.2%的低泄漏 (图3)。同时，它还显示出超过80 °C的高光热转换能力，394 s g?1 的高光热存储能力和优异的热存储稳定性 (图4)。因此，当将其用于太阳能-热能-电能转换时，SBTP膜在3个太阳照射下可显示出423 mV的最大输出电压，30.26 W m?2的功率密度以及优异的循环稳定性 (图5)。更有意义的是，它还可以应用于太阳能电池和LED芯片的热管理，并将余热转化为电能，展现出多场景应用能力 (图6)。该工作以“One-Step Synthesis of Multifunctional Bacterial Cellulose Film-Based Phase Change Materials with Cross-Linked Network Structure for Solar–Thermal Energy Conversion, Storage, and Utilization”为题发表在《Small》期刊上。文章第一作者是东华大学材料科学与工程学院2021级博士研究生张冬。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
图2：热致柔性，可定制性，机械强度，改善的亲水性和提高的热导率
图3：热能的存储和形状稳定性
图4：太阳能-热能的转换与存储
图5：太阳能-热能-电能的转换
图6：电子设备的热管理与余热利用
该工作是团队近期关于细菌纤维素基复合光热材料相关研究的最新进展之一。此外，细菌纤维素材料在能源转换与存储上的应用研究一直是该团队的重点方向研究之一。近几年，该团队以细菌纤维素为基体开发了一系列的复合光热转换材料，并将其在光热海水淡化(Carbohydrate Polymers, 2023, 321, 121324; ACS Applied Materials and Interfaces, 2022, 14(10), 12284–12294; Desalination, 2021, 500, 114899)，光热溢油回收(Chemical Engineering Journal, 2023, 470, 144436)和光热存储(Small 2023, 2307259)等方面实现了杰出应用。同时，为了更深入的研究细菌纤维素在能源转换上的应用潜力，他们还对细菌纤维素材料做了不同的加工，实现了其在盐差能到电能上的转换(Nano Energy, 2022, 103, 107786; Nano Energy, 2021, 88, 106275; Nano Energy, 2021, 80, 105554)，以及热差能到电能上的转换(Nano Energy, 2023, 112, 108482; Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2306509; Nano Letters, 2022, 22(20), 8152–8160)。接下来，团队将对细菌纤维素材料在能源转换与存储上继续更深入的探索和研究，欢迎关注。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307259
