三维全规整纳米孔异质相变复合体及其蓄传热性能

Phase change material (PCM) is the key factor for the development of energy storage technology. PCM plays a crucial role in exploring new energy and improving energy utilization. This project aims to study porous shape-stabilized PCM. The synthesis of a novel type of composite PCM based on three-dimensional organized nanoporous material is proposed. It is expected that this new composite PCM will solve various issues, such as low energy storage density, low thermal diffusivity and short service life that existed in current PCMs. The support material will be assembled through supramolecular self-assemble and covalent-bonding recognition of metal or organic functional pieces, followed by the incorporation of pure PCM. The controllable synthesis of the newly developed composite PCM will be explored. The physical mechanism of energy storage and heat transfer with phase change is to be addressed at nano-scale, considering the size effect in nano porous space and anisotropic/heterogeneous interface effect. The mathematical descriptions of the as-synthesized PCM on energy storage, discharge and transport are to be revealed. As a result, the multi-scale correlation between macro thermal properties and micro transport model were studied, as well as the performance of heat storage/ discharge during phase change process and the mechanism for heat transfer enhancement.

相变材料是储能技术发展和应用的关键因素，在推进新能源开发和提高能源利用率中起着至关重要的作用。本项目以多孔基相变材料为研究对象，针对现有多孔载体因孔径尺寸不均一、孔道有序性差导致的相变储能密度低、热扩散率低等问题，提出了构筑三维全规整纳米孔异质相变复合体的新思路。拟通过超分子组装、共价键分子识别等手段完成多孔载体的制备及其与异质相变芯材的复合；发展材料微细结构的精确调控方法；描述纳米孔隙空间尺度效应和骨架-芯材界面效应对相变蓄传热的作用机制；获得复合体蓄传热效应的数理描述；提炼宏观热物性的可控关联变量及关联规律，建立可根据目标性能快速索引、筛选、匹配相关变量的“导向合成库”。项目的意义在于引领一类兼具高储能密度、高热扩散率、强固载能力和高循环稳定性等综合优异特性的新型相变材料的研发，丰富和发展微尺度相变传热理论，并开拓复合相变材料从反复试制向科学定向设计发展的有效途径。

相变储能材料是储能技术发展和应用的关键因素，在推进新能源开发和提高能源利用率中起着至关重要的作用。本项目以开发兼具高储能密度、高热扩散率、强固载能力和高循环稳定性等综合优异特性的新型相变材料为目标，通过水热法、超声震荡法、离子交换法等方法制备了包括MOF、COF、分子筛三大类一百二十余种具有超高比表面积、超高孔隙率的纳米孔载体材料，选择有机小分子、聚合物和无机盐等具有不同相变温度 (20-400℃）、不同相变潜热 (140-370J/g） 的相变芯材进行封装，筛选并获得了30余种负载量>80%，实验室循环寿命>50次，潜热>120J/g 的新型异质相变复合体，建立了上述异质相变复合体的多尺度热物理模型，实现了微观结构与宏观物性的跨尺度关联，并构筑了包含比表面积、孔径、负载量、潜热等多种结构性能参量的相变材料数据库（Phase Change Materials Database,PCMD），为相变复合材料领域科研人员提供数据共享及性能预测提供平台。所开发的部分相变复合体的结晶度大于100%，相变潜热超过理论值，电热转换效率高达94.5%，是目前已有文献报道的最高数值。.依托以上研究成果总计发表论文60篇，其中Nano Energy，J. Mater. Chem. A等国际SCI期刊论文28篇（第一标注），工程热物理学报、化工学报等国内期刊论文9篇（第一标注），会议论文13篇；申请国家发明专利18项，授权4项；获高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖1项。.依托本项目所开发的多孔载体与相变材料的官能团匹配技术、真空渗透技术及多维度同步增强蓄/传热技术，建立了用于新型相变控温材料的中试生产线，利用多级孔相变复合体制备相变控温服已被钢铁厂加热炉操作工进行试用，用户反馈效果良好，指出在钢铁行业具有重要的应用前景。.通过本项目的研究，明晰了纳米孔载体与芯材在原子分子层面的相互作用关系，建立了纳米尺度限域空间中芯材分子结晶行为及热学性能调控的有效手段；首次开展了三维全规整纳米孔异质相变复合体的蓄传热模拟；建立了国内第一个复合相变材料数据库，为高性能相变复合材料的快速高效开发奠定了基础。