近日，上海先进热功能材料工程技术研究中心的科研团队在国际知名期刊Applied Energy（IF=11.446）上在线发表了题为“High energy storage density titanium nitride-pentaerythritol solid–solid  composite phase change materials for light-thermal-electric conversion”的研究论文【Applied Energy, 331(2023) 120377】论文是以我课题组研究生骆荣荣为第一作者，我课题组谢华清教授和于伟教授共同指导的成果。

1 成果简介

  为了实现碳中和的目标，如何有效利用太阳能迫在眉睫。选择相变材料（PCMs）作为储能介质是实现实际利用的有效途径，可以解决太阳能的不连续性和不稳定性。固-固PCMs（SS-PCMs）由于其形状稳定、无相分离、无腐蚀性等优点，引起了人们的关注。在本文中，廉价的原材料季戊四醇（PE）被选为储能介质，具有局部表面等离子体效应的氮化钛（TiN）被用作光吸收剂和导热填料。结果表明，0.2wt%的TiN-复合相变材料（CPCMs）的相变焓仍高达287.8J/g，保持了PE 96.06%的储能密度，相变温度为180℃左右，适用于太阳能的中温利用。此外，0.2wt%的TiN-CPCMs的热导率提高了109.48%，光热转换效率高达90.66%。同时，本文还提出了一种将热电发电机（TEG）与SS-PCMs相结合的热电采集器。TiN-CPCMs-TEG系统的平均最大功率比PE-TEG系统高59.26%。系统的总能量也增加了58.99%，这为太阳能的中温集热工程应用提供了一些思路。

图2 图文摘要

图3. 系统测试及CPCMs的制备和过程机理

图4. TiN和CPCMs的微观表征

图5. PE和CPCMs的XRD和红外图谱

图6. PE和CPCMs的热力学性能

图7. 循环500次后PE和CPCMs的热力学性能

图8. PE和CPCMs的光热性能

图9. PE和CPCMs的热导率、吸收图谱及综合性能

图10. PE和CPCMs的阻燃性

图11. SS-PCM-TEG系统的示意图。

图12. 模拟过程中热发电机的温度、温差及最大输出功率

图13. 温度云图

2 小 结

在这项工作中，TiN-CPCMs通过物理混合和蒸发结晶法制备出高效光热转换材料。它在中温集热工程应用中显示出巨大的潜力。具体结论如下：TiN-CPCMs具有较高的储能密度和相变焓值，表现出良好的热稳定性和长期可靠性。0.2wt%TiN-CPCMs的相变焓值仍高达287.8J/g，保持了PE的96.06%储能密度。0.2 wt%的TiN-CPCMs的热导率达到0.88 W/(m?K)，提高了109.48%，并且其光热转换效率达到90.66%。热电采集器的模拟结果显示，TiN-CPCMs-TEG系统的平均最大功率比PE-TEG系统高59.26%，系统总能量也增加了58.99%。