北京林大许凤团队: 新型无泄漏、高潜热纤维素基光热转换相变储热材料

背景介绍

化石能源大量消耗所造成的环境污染问题正激励研究人员开发新型可再生能源以实现人类社会的可持续发展。太阳能作为最丰富、最清洁的可再生能源，被认为是化石能源的有力替代者。然而，太阳能存在昼夜间歇问题难以满足人们日益增长的能源需求，急需寻找高效的储热材料以解决该问题。相变材料不仅具有潜热高、成本低、兼容性好的优点，还可以将太阳辐射产生的热量以潜热的形式储存。然而，相变材料在固-液相转换过程中会发生泄漏，这极大地限制了相变材料的使用寿命。此外，相变材料自身较差的光吸收能力也制约了其在太阳能储热领域的进一步应用。

鉴于此，北京林业大学许凤教授团队基于再生纤维素骨架与聚乙二醇（PEG）的氢键及毛细管作用，并利用Fe₃O₄纳米粒子强大的光吸收诱导光热效应能力，制备了无泄漏、高光吸收的纤维素基相变储热材料。作者指出，这种材料不仅展现了高潜热和无泄漏封装性能，还具有优异的光-热转换效率，在太阳能收集、建筑和人体热调节、热量储存等方面具有广阔的应用前景。

图文解读

纤维素基相变储热材料的制备

纤维素基相变储热材料的制备方法如图1所示。将纤维素溶解浆溶解在离子液体中，在水中再生得到纤维素水凝胶。然后，将水凝胶依次浸渍到Fe²⁺/Fe³⁺和氢氧化钠溶液中共沉淀Fe₃O₄纳米粒子。最后，将上述负载Fe₃O₄纳米粒子的水凝胶浸渍到熔融PEG中通过溶剂交换的方式制备无泄漏、高光吸收的纤维素基相变材料。

与传统定型相变材料制备方法不同，此方法通过溶剂交换在层状纤维素骨架中填充PEG，简化了制备步骤且实现了相变材料的无泄漏封装；首次通过共沉淀法在相变材料中负载Fe₃O₄纳米粒子，提高了复合材料的光吸收性能。

图1 纤维素基相变储热材料的制备

纤维素基相变储热材料的封装和储热性能

纤维素基相变储热材料的封装效果如图2所示。在80 ℃热台上放置60 min，复合相变材料无明显漏液现象；承受超过自身重量200倍的压力，复合相变材料依然能够保持原始形状。这得益于纤维素骨架和PEG形成的氢键和毛细作用力，使其具有良好的封装效果和形状稳定性。纤维素基相变储热材料的储热性能如图3所示。复合相变材料具有高潜热（172.6 ~ 177.7 J/g）和高PEG负载率（95.3% ~ 98.1%）。经过100次循环，复合相变材料的潜热和化学结构无变化，保证了其在长期使用过程中的可靠性。

图2 纤维素基相变储热材料的封装效果

图3 纤维素基相变储热材料的储热性能

纤维素基相变储热材料的光-热转换性能和热调节应用

纤维素基相变储热材料的光-热转换性能如图4所示。由于Fe₃O₄纳米粒子作为强大的光吸收剂诱导了光-热效应，因此负载Fe₃O₄纳米粒子的相变材料具有高光吸收率（>90%）和光-热转换效率（70.7 ~ 86.7%）。此外，在46 °C和38 °C出现了两个热平台，这表明复合相变材料发生了固-液转换，进而实现了太阳能热量的储存和释放。

图4 纤维素基相变储热材料的光-热转换性能

进一步评估了复合相变材料的光-热性能在建筑热调节方面的应用，见图5。相变材料具有高疏水和自清洁能力，使其具有更好的环境适应性。覆盖复合相变材料的模拟房屋昼夜温差小（32 ~ 38℃），更适宜人类居住；不覆盖复合相变材料的房屋最高温和最低温分别为53 ℃和25 ℃，昼夜温差高达28 ℃。这是因为相变材料在白天吸收太阳能将热量储存，夜间缓慢释放热量，达到维持室内温度相对恒定的目的。

图5 纤维素基相变储热材料的热调节应用

总结与展望

在该工作中，再生纤维素骨架与PEG产生的氢键和毛细作用力实现了相变材料的无泄漏封装；纤维素骨架中共沉淀的Fe₃O₄纳米粒子实现了优异的光-热转换性能（70.7 ~ 86.7%）。解决了传统相变材料存在的固-液泄露和光吸收能力差的问题。复合相变材料具有高潜热（172.6 ~ 177.7 J/g）、优异的循环稳定性、自清洁和建筑物热调节功能，在太阳能收集、建筑和人体热调节、热量储存等方面具有良好的应用前景。

这一研究成果近期发表在Energy Conversion and Management杂志上，陈胜博士和许凤教授为该文的通讯作者，博士研究生张健康为文章的第一作者。该研究得到了高等学校创新引智计划项目（B21022）和中国博士后科学基金（2021M690415）的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115357

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