将生物基相变材料与膨胀石墨和普鲁士蓝结合，用于提高太阳能存储系统的高热性能和光热性能

《Journal of Energy Storage》：Bio-based phase change materials integrated with expanded graphite and Prussian blue for high thermal and photothermal performance in solar energy storage

　　

程文珂|莫松平|傅凯|杜彦平|杨志|贾丽思|陈颖

广东工业大学材料与能源学院，广州，510006，中国

摘要

全球向可再生能源的转变显著增加了对高效和可持续热能存储材料的需求。传统的基于石蜡的相变材料（PCMs）受到内在局限性的制约，包括可再生性差、易泄漏、导热系数低以及光热转换效率低等问题。为了解决这些挑战，本研究介绍了一种新型生物基共晶相变材料（EPCMs）的设计与合成方法，这些材料由十六醇（HD）和多种二醇衍生而来。其中，十六醇-1,12-十二烷二醇（HD-DDD）EPCM表现出最高的潜热。随后，将该EPCM与膨胀石墨（EG）和普鲁士蓝（PB）结合，制备出用于太阳能热能存储的复合PCM。通过优化EG与PB的质量比，发现EG14PB10配方具有最佳性能，其潜热达到180.6 kJ/kg，导热系数为9.62 W/(m·K)，约为纯HD-DDD的24.7倍。加速热循环测试证实了该复合材料的优异长期稳定性。值得注意的是，PB和EG的协同效应显著扩展了材料对太阳光谱的吸收范围，使其光热转换效率高达93.7%。凭借其卓越的热性能、高循环耐久性和生物基组成，所开发的EPCM复合材料成为环保型太阳能热能存储应用的有力候选者。

章节摘录

术语表

H_fH_m$H_{\mathrm{PCM}}$

CPCM	复合相变材料
DDD	1,12-十二烷二醇
DDL	1,10-癸二醇
DSC	差示扫描量热仪
EDS	能量色散X射线光谱
EG	膨胀石墨
EPCM	共晶相变材料
FTIR	傅里叶变换红外光谱仪
凝固焓，kJ/kg
熔化焓，kJ/kg
相变材料的焓，kJ/kg
HD	十六醇
$I$' role="presentation">$I$	光强度，W/m2
LHS	潜热存储系统
$m$' role="presentation">$m$	质量，kg
$M_{\mathit{损失}}$' role="presentation">	质量损失百分比
NIR	近红外区域
ODL	1,8-辛二醇
PB	普鲁士蓝
PCM

材料

十六醇（CH₃(CH₂)₁₄CH₂OH，98%）、1,8-辛二醇（HO(CH₂)₈OH，98%）、1,10-癸二醇（HO(CH₂)₁₀OH，98%）和1,12-十二烷二醇（HO(CH₂)₁₂OH，98%均购自上海麦克莱恩生化科技有限公司。膨胀石墨（网孔尺寸：10，固定碳含量：99%）由南京格雷凡碳材料有限公司提供。普鲁士蓝（Fe₄[Fe(CN)₆]₃，一种生物染料，来自阿拉丁生化科技有限公司。

理论共晶点的计算

共晶系统的相变特性

二元共晶混合物最佳共晶点的确定

EPCM是指在最佳共晶点处共熔并表现出高潜热的二元或多组分混合物。EPCM的最佳共晶点是通过理论计算和实验方法相结合确定的。首先，使用方程（1）绘制了HD与ODL、DDL和DDD的二元共晶相图。四种PCMs的DSC曲线及计算参数分别显示在图1(a)和表3中。

结论

本研究通过理论计算和实验方法制备了三种新型生物基EPCMs，即HD-ODL、HD-DDL和HD-DDD。其中，HD:DDD = 85:15的组成表现出最高的潜热和几乎不存在过冷现象，因此在相同温度范围内具有比其他生物基PCM更高的潜热优势。随后，通过真空浸渍EG和PB制备出形状稳定的CPCMs，实现了协同增效。

CRediT作者贡献声明

程文珂：撰写——原始草稿、方法论、实验研究。莫松平：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。傅凯：实验研究。杜彦平：撰写——审稿与编辑。杨志：撰写——审稿与编辑。贾丽思：撰写——审稿与编辑。陈颖：资源协调。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：莫松平报告称获得了中国国家自然科学基金的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国广东省自然科学基金（项目编号：2026A1515010683）的支持。