1.成果简介
太阳能作为一种可再生能源，因其在解决日益增长的能源需求和温室气体排放方面的巨大潜力受到越来越多的关注。然而，太阳自身的间歇性和随机性大大限制了太阳能的转换和储存效率。近年来，基于固-液相变材料的潜热储存系统，由于具有高储热密度和出色的化学稳定性，有望成为提高太阳能吸收和转换的合适方法。但固-液相变材料在实际应用中常受到自身换热速率低、熔融状态泄漏、性能不稳定等缺陷的限制。因此，提高和改善固-液相变材料的导热系数和光热转换效率是其在太阳能潜热储存领域的研究热点。其中一个解决方法是将多孔载体材料与固-液PCM结合起来制备形状稳定的多孔定型复合相变材料。因此开发具有高太阳能吸收性能和高储能密度的复合相变材料是太阳能热储存技术的关键。
基于此，上海先进热功能材料工程技术研究中心的研究团队通过利用自组装技术与Marangoni效应设计制备了垂直排列的还原氧化石墨烯/MXene气凝胶，并以该气凝胶为载体封装硬脂酸制备了垂直排列的还原氧化石墨烯/MXene/硬脂酸多孔定型复合相变材料。该复合相变材料具有良好的形状稳定性和热物性，热导率可达1.21W/(m·K)，相变焓为168.25J/g，与纯硬脂酸的焓值（173.50 J/g）十分接近。MXene片材的添加改善了复合材料的太阳能吸收性能，光热转换效率为90.19%。同时，得益于载体材料的定向网络结构，复合相变储能材料的储能时间显著缩短了610s。
图1 图文简介
2.图文信息
图2 垂直排列的rGO/MXene气凝胶制备示意图
图3 （a-b）A-rGO/Mxene气凝胶数码图像及抗压测试图；（d）MAX的SEM；（e）多层MXene的SEM；（f-i）单层MXene的SEM、TEM；（j）rGO/Mxene的SEM；（k）A-rGO/Mxene的SEM；（l-m）A-rGO/MXene/SA复合PCM的SEM图像；（n-q）元素的映射图像（o）C、（p）O和（q）Ti
图4 rGO、MXene、SA、复合相变材料的（a-b）XRD光谱、（c）FTIR光谱和（d）UV-Vis-NIR光谱
图5 SA、rGO/SA和rGO/MXene/SA的相变行为（a）加热冷却过程中DSC曲线；（b）理论焓值与实际焓值；（c）结晶度；（d）rGO/MXene/SA的50次加热冷却循环DSC图谱
图6 A-rGO/MXene/SA的热传导特性（a）A-rGO/MXene/SA的导热率；（b）A-rGO/MXene/SA从50°C冷却到27 °C的红外照片；（c）A-rGO/MXene/SA传热增强机理图
图7 A-rGO/MXene/SA的稳定性（a）SA、rGO/SA、rGO/MXene/SA的热重测试图；（b）SA、rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA、A-rGO/MXene/SA泄漏测试图
图8 光热转换性能测试得到时间-温度曲线（a）样品光热转换性能实验装置示意图；（b）在1000 W·m-2 光强下，rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA、A-rGO/MXene/SA和纯SA复合块内部的温度分布；（c）rGO/SA、A-rGO/SA、rGO/MXene/SA和A-rGO/MXene/SA的光热转换效率
图9 针对A-rGO/MXene/SA定向结构光热转换性能测试得到时间-温度曲线（a）样品光热转换性能光照测试示意图；（b）在1000 W·m-2 光强下，A-rGO/MXene/SA取向面和非取向面内部的温度分布；（c）A-rGO/MXene/SA取向面和非取向面的温升速率；（d）A-rGO/MXene/SA与其他复合材料性能对比图（数值越大性能越优异）
3.小结
本研究通过在A-rGO气凝胶中引入MXene纳米片层，并将SA包覆到A-rGO气凝胶中，成功地制备了A-rGO/MXene/SA复合相变材料。作为载体材料，A-rGO/MXene气凝胶有效地解决了SA的泄漏问题和较低的导热系数，而MXene作为光吸收材料的引入提高了SA的光热转化和储能效率。
（1）A-rGO/Mxene/SA的导热系数比SA高317.24%，这是由于A-rGO/Mxene的定向网络结构所致。
（2）A-rGO/Mxene/SA的相变热达到168.25 J/g，与SA相当，经过50次加热和冷却循环后，A-rGO/Mxene/SA无明显变化。
（3）A-rGO/MXene/SA的光热转换效率和储能效率均达到90.19%。同时，由于各向异性，其温度上升速度加快，储能时间显著缩短。
因此，合成的A-rGO/MXene/SA具有各向异性、高的热焓、较高的光热转化率和储热能力以及良好的热稳定性，在太阳能应用方面显示出巨大的潜力。
以上成果发表在中国科学系列期刊Science China-Technological Sciences（SCI二区）上，上海第二工业大学硕士研究生王学子为第一作者，上海第二工业大学能源与材料学院谢清华教授和于伟教授为共同通讯作者。Title：Vertical orientation
graphene/MXene hybrid phase change materials with anisotropic properties, high
enthalpy and photothermal conversion, Science China-Technological Sciences 65
(2022) 882-892。