随着人类社会的飞速发展以及全球的现代化、城市化和信息智能化,能耗急剧增加,对传统能源的过度开发和滥用造成了严重的生态退化、环境污染和气候问题等。太阳能由于清洁、可再生、全球分布和低成本等优势引起了人们广泛的关注,但是太阳能固有的间歇性限制了其在能源结构中的有效利用。为了更加充分有效的利用太阳能,通常情况下,将太阳能转换为热能、电能等进行存储和使用。其中以相变材料(phase change materials, PCM)为核心的太阳能热系统由于其低成本、制备简单和高光热转换效率被广泛研究。有机相变材料由于自身稳定的化学性质、低过冷度、无相分离等有点,是一种理想的储热材料,可以调节环境温度,满足热量在空间和时间上的需求不匹配。然而,PCM通常面临使用时易泄露问题,通过聚合物壳层微胶囊化相变材料可以有效地阻止其泄露。
乳液模板法是一种简单有效制备相变微胶囊的策略。皮克林(Pickering)乳液是固体颗粒稳定的乳液。作为皮克林乳化剂的固体颗粒,对水油两相都具有润湿性,可以吸附在油水界面上从而形成Pickering乳液。相比于传统表面活性剂稳定的乳液,Pickering乳液具有可持续性、生物可降解等优点。通过功能性纳米颗粒稳定的Pickering乳液可以构筑高性能多功能复合纳米材料。以具有光热转换功能的纳米颗粒稳定的Pickering乳液为模板制备相变微胶囊可赋予微胶囊光热转换能力以及提高其热导率。氧化石墨烯(GO)由于其优异的光热转换能力是一种理想的微胶囊壳层填料,然而GO通常具有较差的Pickering乳化性能。纤维素纳米晶(CNC)是一维棒状纳米材料,具有生物可降解,高比表面积,优异的力学性能,水分散性以及Pickering乳化性能。因此通过CNC和GO共乳化Pickering乳液的策略,有望促进GO固定在油水界面上以提高GO的Pickering乳化性能。从而以CNC/GO共乳化的PCM Pickering乳液为模板,制备用于太阳能存储和利用的光热相变微胶囊。
该成果以“Photothermal phase change material microcapsules via cellulose nanocrystal and graphene oxide co-stabilized Pickering emulsion for solar and thermal energy storage”为题发表在Science China Materials上。该论文的第一单位为华南师范大学华南先进光电子研究院,2022级硕士生孙旺和2019级硕士生张哲为共同一作,文章的通讯作者为华南师范大学张振副研究员、湖北大学贺妮莎副教授、西南林业科技大学刘灿副教授。本文得到国家重点研发计划、广东省自然科学基金面上项目和青年提升项目、国家自然基金和闪思科技等基金的大力支持。
图1 通过 CNC/GO 共稳定Pickering乳液制备具有嵌入 CNC、rGO 和 PDA 的 MF 外壳的 PCM 微胶囊(PCM@CNC/rGO/PDA/MF)的示意图。
1. GO/CNC共稳定的Pickering乳液的制备及表征
图2. (a) GO 和 CNC/GO 的 TEM 图像。(b) 不同乳化剂体系(分别为 GO、GO/NaCl、CNC/NaCl 和 CNC/GO/NaCl)稳定的 C18 Pickering 乳液静置 24 小时后的照片。(c) 分别用 GO、GO/NaCl、CNC/NaCl 和 CNC/GO/NaCl 乳化的 C18 Pickering 的 POM 图像和相应的粒径分布。水相中 GO、NaCl 和 CNC 的浓度分别为 0.3 wt.%。
2. C22@CNC/rGO/PDA/MF 微胶囊形貌表征
图3. (a, e)C22@CNC/MF微胶囊的SEM图。(b, f)C22@CNC/GO/MF微胶囊的SEM图。(c, g)C22@CNC/PDA/MF微胶囊的SEM图。(d, h)C22@CNC/rGO/PDA微胶囊的SEM图。
3. C22微胶囊抗泄露测试
图4. C22和C22微胶囊的泄露测试。
4. C22微胶囊的光热和相变性能
原文链接:http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-024-3040-5
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