宽带吸收增强的三维定向纤维素基碳气凝胶复合相变材料用于光-热-电转换

1.成果简介

能源短缺、环境和生态问题促使人们关注太阳能的有效利用。使用复合相变材料（PCM）作为储能介质是实现太阳能高效转换的重要方法。生物质材料因其来源广泛、成本低、环境友好和天然多孔结构而非常适合太阳能应用。在本研究中，选取纤维素为碳前驱体。三维(3D)定向纤维素基碳气凝胶(CBCA)是通过浸渍膨胀、定向冷冻、冷冻干燥和碳化过程构建的。以叔丁醇/去离子水为共溶剂，气凝胶表现出高比表面积和生产率以及低结构收缩率。三维定向石墨化多孔网络和石墨烯保证了出色的宽带吸收、高效的传热路径和有效的储热能力。硬脂酸(SA)和石墨烯进行熔融共混，然后通过真空浸渍工艺形成3D复合PCM。复合PCMs的储热能力大于96%，其中加入0.5 wt%的石墨烯后具有最高的热导率1.17 W/（m?K）。而且，最高的光热转换效率可以达到90.3%。还具有1.80 mW的最大光-热-电能转换输出功率。这项工作为高效的太阳能存储和热能利用提供了一种可行、经济的策略。

2.图文导读

图1 图文简介

图2制备示意图及BET测试及影响机理

图3 微观测试及晶体、化学结构表征

图4 热泄漏及形状稳定性测试

图5 热性能测试

图6光-热及热-电转换测试

3.小结

综上所述，成功地设计并制备了由三维定向纤维素基碳支架 (CBCA) 支持的复合PCM。 CBCA 表现出以下三个特点： (i) 以叔丁醇代替部分水为溶剂，得到的BC气凝胶具有较高的比表面积和稳定的孔结构；(ii) CBCA具有优异的吸附能力，可吸附质量为自身数百倍的SA，从而保证了高储能密度；(iii)出色的宽带吸收、理想的传热路径以及良好的PCM封装。基于CBCA的优异特性，3D复合PCMs表现出优异的稳定性、高相变焓、增强的导热系数、宽带吸收性能和优异的光热转换。在经济方面，这项工作中使用的主要原材料纤维素广泛存在且价格低廉，而优异的化学和热可靠性确保长期循环利用，可以将低品位能源转化为高品位能源（热-电）。在日后工作中，可在真空条件下使用高塞贝克系数的热电元件和集成基于复合相变材料的热电发电机，来进一步优化光-热-电转换性能。综上所述，我们的工作为三维复合相变材料提供了一种新的设计思路，以实现高效太阳能储存和热能利用。

以上成果发表在Energy Conversion and Management期刊上，上海第二工业大学硕士研究生吴官正为第一作者，上海第二工业大学能源与材料工程学院邴乃慈副教授、于伟教授为共同通讯作者。Title：Three-dimensional directional cellulose-based carbon aerogels composite phase change materials with enhanced broadband absorption for light-thermal-electric conversion，Energy Conversion and Management 256 （2022）115361。