研究 \ 一种具有高导热性石墨烯基相变复合材料

01 背景介绍

由于工业的快速发展和世界人口的持续增长，人类对石油等化石燃料的依赖正在稳步增长。太阳能具有环保、可再生等特点，是化石燃料的优良替代品。有机相变材料(PCMs)由于其高潜在焓、低腐蚀性和优异的稳定性而具有巨大的太阳能利用潜力。然而，PCMs有几个固有的缺点，包括(i)对太阳能的响应能力弱，这使得太阳能难以有效地转化为热量；(ii)形状稳定性不足，这增加了PCMs的泄漏风险；(iii)导热性差，这阻碍了热量的传递、储存和释放。

用PCMs填充三维(3D)石墨烯骨架可以显著PCMs对太阳能的吸收和转换效率，同时也降低了泄漏的风险。然而，3D石墨烯骨架大多是通过冷冻干燥石墨烯悬浮液或还原氧化石墨烯水凝胶制备的。由于石墨烯骨架的密度低，内部石墨烯片之间的相互作用弱，因此无法建立密集和连续的网络来实现高效的热传导。因此，由这些石墨烯骨架制备的相变复合材料(PCCs)没有表现出理想的导热性。

3D石墨烯骨架中石墨烯片的质量、数量和分散状态与PCCs的热导率密切相关。高温石墨化可以有效地消除石墨烯片上的这些氧官能团，修复其晶格缺陷。然而，高温石墨化不能改变PCCs中石墨烯纳米板的组成和分散状态。此外，这一过程需要昂贵的设备，并产生巨大的能源成本。值得注意的是，通过改善骨架内部石墨烯片之间的接触状态，可以有效降低石墨烯片之间的接触热阻。然而，干燥过程往往导致石墨烯骨架密度过高，这严重限制了可填充到PCCs中的相变材料的数量。这导致PCCs的潜在焓低，限制了它们对热能的储存和利用。

02 成果掠影 

近期，华南理工大学张心亚研究员针对石墨烯基相变复合材料在太阳能利用方面具有巨大的潜力，但其较差的导热性的问题取得最新进展。本研究通过冰模板法和协同作用构建了具有优异导热增强效率的风干石墨烯骨架(AGS)，随后通过真空浸渍n-Docosane (C22)在AGS中得到风干石墨烯相变复合材料(AGP)。这种协同作用有效地降低了AGS内部石墨烯片间的声子散射，并将AGS的密度提高到0.1701 g/cm³。因此，当石墨烯骨架负载为23.82 wt.%时，AGP的导热系数为9.867 W/(m K)，电导率为68.08 S/cm，具有优异的形状稳定性。此外，AGP的熔化焓为188.5 J/g，光热转换效率为93.98%，显示出巨大的太阳能利用潜力。研究成果以“An innovative graphene-based phase change composite constructed by syneresis with high thermal conductivity for efficient solar-thermal conversion and storage”为题发表于《Journal of Materials Science & Technology》。

03 图文导读

图1.(a)制备AGP的示意图，(b)填料之间的分子间作用力，(c)太阳能热转换和储存。

图2.(a, b) GNPs的SEM图像，(c) AFM图像和(d, e)氧化石墨烯高度分布图，(f)石墨烯骨架AGS、相变材料C22和相变复合材料AGP的FTIR光谱和(g) XRD图谱。

图3.(a, b) FGS和(c) FGP轴向扫描电镜图像，轴向(d, e) AGS和(f) AGP的SEM图像，红色箭头表示轴向。

图4. (a) C22、FGP和AGP的导热系数，(b) FGP和AGP的导热系数增强效率，(c) C22、FGP和AGP的相变焓，(d) C22、FGP和AGP在加热和冷却过程中的DSC曲线，(f)与已报道的石墨烯/石蜡PCCs的热性能比较。

图5.(a) 100次加热和冷冻循环前后AGP的DSC曲线和(b)潜在焓，(c) AGS、FGP、AGP和C22的TGA曲线，(d)FGS和AGS的应力-应变曲线。

图6.(a) C22、FGP和AGP的紫外-可见-近红外吸收光谱，(b)太阳能热转换模拟系统示意图。

图7.(a)氙灯模拟光热转换过程中C22、FGP和AGP的温度-时间曲线和(b)热红外图像，(c) C22、FGP、AGP在实际光热转换过程中的温度-时间曲线。

图8.(a)电热转换实验装置示意图，(b)不同电压下FGP和AGP电热转换过程的温度-时间曲线和(c)热红外图像。