具有双面特性的碳纤维支架，其中浸渍了聚乙二醇作为柔性相变复合材料，用于太阳能/电热转换与储存

《Materials Research Bulletin》：Janus-faced Carbon Cloth Scaffolds Infused with Polyethylene Glycol as a Flexible Phase Change Composite for Solar/Electro-thermal Conversion and Storage

柔性相变材料 Janus-碳布/PEG 复合结构通过亲水-疏水双面设计实现高效热存储与防泄漏，适用于太阳能、电热等多种热源，热导率提升至0.89 J m?1K?1，光热转换效率达81%。

　　

Haniyeh Tahzibi | Saeid Azizian

物理化学系，化学与石油科学学院，布阿里·西纳大学，伊朗哈马丹，65167

摘要

相变材料（PCMs）能够吸收/释放大量的热量，并可用于热能存储技术以减少能源消耗。在本研究中，制备了一种具有Janus结构的碳布作为支架，同时使用聚乙二醇（PEG 1000和PEG 6000）作为相变材料。这种Janus结构的支架允许从一侧吸收PCMs，并防止其从另一侧泄漏。制备的PCMs复合材料在加热过程中保持PEG的高熔化焓，在冷却过程中释放热量。当通过多种方法（包括光热转换、电热转换和传统加热）产生热量时，这些复合材料成功用于热能存储。此外，由于其柔性的结构，这些复合材料可以包裹在任何敏感的电气设备表面，从而在加热或冷却过程中防止设备受到热冲击。

引言

高达70%的能源消耗是热能。因此，在低能耗时期储存热能并在需要时供应，可以控制能源消耗并减少能源浪费。热能存储（TES）有三种技术：（1）热化学储能（TCS），通常在高温（>300°C）下使用；（2）显热储能（SHS），其单位质量的储能容量较低；（3）潜热储能（LHS），利用可逆相变来储存和释放热能[1]。相变材料（PCMs）是最有前景的材料之一，具有宽广的熔点范围（-50至1700°C），已广泛应用于基于LHS方法的热能存储。PCMs在熔化/结晶过程中可以以潜热的形式储存/释放热能[2]。PCMs可分为有机型、无机型和复合材料（例如共晶体）[3][4][5]。它们已被用于太阳能、建筑、热回收、生物医学和电池热管理等多个领域[6]。

太阳能是一种丰富且可再生的绿色能源，可以作为世界的主要能源来源。利用具有光热转换能力的功能性PCMs，可以在白天收集太阳能并将其储存为热能，然后在夜间释放[7]。此外，将PCMs封装在导电支撑材料中也有助于电热转换和储存所产生的热量，这对可持续能源利用至关重要[8][9][10]。

然而，尽管PCMs已被广泛使用和发展，但它们仍存在一些缺点，如相分离、液体泄漏、过冷现象以及低导热性。向PCMs中添加金属纳米颗粒或碳基纳米颗粒被建议用来改善其导热性[11]。为了解决液体泄漏和低导热性问题，建议使用三维（3D）结构材料（如3D碳支架、金属泡沫和MOFs）[12][13][14][15][16]，以及将PCMs聚合在木材中[17]。此外，为了克服相分离、过冷现象并提高导热性，还提出了在纳米尺度上限制PCMs[18][19]以及微胶囊化[19][20][21][22][23]的方法。

碳基材料是制备复合相变材料的最佳支架之一。石墨烯泡沫[24]、分级多孔碳[25]、纺织结构碳支架[26]和生物质衍生的碳支架[27]（均含有石蜡）已被用于光热转换和热能存储。此外，还制备了含有聚乙二醇（PEG）的生物炭纤维素，用于光热转换和能量存储[28,29]。向PEG中添加羧基化碳纳米管可显著提高其导热性（157%）[30]。碳化金属有机框架可提升复合相变材料的光磁热性能[31]。

柔性相变材料（flexible PCMs）与物体接触紧密，具有多种应用，包括热疗、柔性传感器、电气设备的热管理[32,33]以及柔性电子产品的制造[34,35]。最近，Liu等人合成了一种基于聚合物的复合相变材料，用于全阶段电池热管理[36]。Wang等人制备了一种覆盖有SiO₂纳米纤维的碳毡，其中封装了石蜡，用于太阳能/电热转换和存储[37]。另一种应用是使用含有石蜡的碳化棉布，表面覆盖聚氨酯，用于电热转换和运动传感器[38]。最著名的PCMs材料之一是不同分子量的PEG，因为它们具有高熔化焓、适宜的相变温度、低腐蚀性、良好的生物相容性和相对较高的热稳定性[39,40]。

本研究的目的是制备一种浸渍了聚乙二醇的Janus结构碳布，作为柔性复合相变材料。制备样品的孔隙率和Janus结构使其能够从超亲水侧吸收PEG，而疏水侧则防止PEG泄漏。得益于Janus碳布的光热性能和导电性，它已成功应用于光热转换、电热转换和热能存储。制备的复合PCM的导热性从0.61 J m^-1 K^-1提高到了0.89 J m^-1 K^-1，并且表现出约81%的光热转换效率。

材料与方法

碳布（厚度约0.6毫米，重量为0.2 kg m^-2）购自日本Kurrari公司。正己烷（99%）、聚乙二醇1000（PEG 1000）和聚乙二醇6000（PEG 6000）购自Merck公司。商业硅油未经进一步处理直接使用。

Janus结构碳布（JCC）的制备基于我们之前的研究[41,42]，并进行了一些修改。具体步骤为：将一块碳布浸入含有正己烷（体积分数为0.1）的硅油溶液中30秒

表征

如图2a所示，碳布由直径约为$\mu$的编织纤维组成。每根纤维含有许多直径小于250$\text{纳米}$的小孔。碳布的EDS光谱和元素分析显示碳是主要成分（W%约为97%），见图S1。Janus结构碳布的两侧表面形态分别如图2b和2c所示。

由于沉积了直径小于100纳米的球形SiO₂纳米颗粒，碳布的表面形态发生了变化。这些纳米颗粒的沉积增强了材料的润湿性

结论

在本研究中，制备了一种浸渍了PEG（1000或6000）的Janus结构碳布作为柔性复合相变材料。Janus结构（具有超亲水性和超疏水性表面）允许熔化的亲水性PEG从一侧进入并被吸收，同时防止其从另一侧泄漏。研究表明，该复合材料能够在熔化（加热）过程中储存热能，并在冷却（固化）过程中释放热量。

作者贡献声明

Haniyeh Tahzibi：负责撰写初稿、验证、数据分析和形式化处理。 Saeid Azizian：负责审稿与编辑、验证、监督以及概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

致谢

感谢布阿里·西纳大学（资助编号：402-141）和伊朗国家科学基金会（INSF）（项目编号：4032479）的财政支持。作者还感谢九州大学的M. Aratono教授提供的碳布。