利用三维多孔结构材料制备高导热、光驱动复合相变材料及其导热机理和能量转换效率的研究

The depletion of the fossil fuels and the continuous increase in greenhouse gas emissions push the developments in sustainable and renewable energy. Phase change materials (PCMs) used as advanced latent heat thermal energy storage (LHTES) material are considered as one of the extremely promising energy storage and conversion technique to utilize thermal energy coming from the surrounding environment, solar irradiation, waste heat from industrial equipment, vehicles and electronic products, etc., which provides great potential application and industrial value in the field in balancing the supply and demand of energy and highly effective thermal management. The effective network and thermally conductive pathway composed of the low-dimensional nanomaterials with unique thermal conductive properties, including graphene, boron nitride and their derivatives, will be ultilized to fabriacate composite PCMs with excellent conprehensive performance. Furthermore, it is meaningful to explore the relationship between the conductive pathway in the matrix and the thermal conductivity of the composite PCMs, inducing universal law among them. Additionally, designing various energy conversion systems and devices to realize the efficient soalr-to-thermal and soalr-to-electric energy conversion and storage, proposing more reasonable calculation methods of energy storage efficiency and exploring the relationship between thermal conductivity and energy conversion efficiency will be taken into account. The successful implementation of the project not only will lay a theoretical foundation for the high-performance organic PCMs, but also will play an important role in energy conservation and environmental protection.

化石燃料的不断消耗和温室气体的大量排放，驱动着可持续和可再生能源和系统的发展。相变材料作为一种先进潜热储能材料，可充分利用来源于周围环境、太阳辐照、工业废热等热能进行能量转化与存储，在平衡能量供应和需求、热管理等方面展现出了巨大的应用前景和工业价值。本项目拟利用低维度材料（石墨烯、氮化硼及其衍生物）独特的高导热性能，构建有效的三维多孔网络结构和导热通路，解决有机相变材料相变过程中易泄漏和热导率低的缺陷，制备综合性能优异的相变复合材料；探究复合相变材料中导热通路对热导率的影响规律；设计多样的能量转换系统与器件实现有效的光-热和光-电能量转换与储存，提出更加合理的能量转换计算方法,探究材料热导率与能量转换效率之间的关系。项目的实施不仅可以为有机相变材料的高性能化奠定理论基础，为其他高导热复合材料的制备提供借鉴，而且在节约能源、环境保护、有效热管理方面具有重要的科学价值和现实意义。

化石燃料的不断消耗、温室气体的大量排放和碳中和的全面推行，驱动着先进储能技术与系统的发展。相变材料（PCMs）作为一种先进潜热储能技术，可充分利用来源于周围环境、太阳辐照、工业废热等热能进行能量转化与存储，在缩小能量供需矛盾、提高能量利用效率等方面展现出了巨大的应用前景和工业价值。前期研究工作中发现构筑三维网络结构能有效提高复合PCMs综合性能，包括形状稳定性和导热性能，并实现了基于复合PCMs的光-热能量转化。本项目采用冰模板、物质交换、交联聚合物溶胀等方法，通过向有机固-液相变基体材料中引入高孔隙率多孔结构材料以及构筑凝胶化和聚合物网络，制备了一系列高性能复合PCMs。从材料组成和结构优化出发，采用冰模板技术构筑各向同性和各向异性的三维导热结构材料，发现填料改性、填料类型及堆砌方式对复合PCMs导热性能有着重要影响。相比于无序分散结构，三维有序网络结构能显著提高导热功能填料的利用率和复合PCMs的热导率。在三维导热通路内，二维片层材料的接触方式为面接触，界面处的重合比一维管状材料的点接触方式更充分，更加有利于热量的传递，所形成的导热通路更加完善，对应热阻也更低。虽然充当导热通路的骨架越厚，取向度越高，界面热阻就越低；但在构建厚骨架的过程中容易引入缺陷和增加空隙间基体的传热阻力，实现两者的平衡在导热材料中显得十分关键。此外，依赖于复合PCMs优异的综合性能，设计了持续太阳能热电发电和海洋环境下光捕获与利用的新式能量转换系统与器件，建立了以相变温度替代传统相变焓调控能量转换的新方式；且高的热导率和光吸收性能有助于大幅提升复合PCMs的能量转换效率。在项目支持下，已发表SCI论文52篇，申请中国发明专利4项，已授权2项。项目为有机复合PCMs的高性能化和多功能化提供了可行技术与解决方案，为导热功能复合材料的结构优化设计提供了重要理论支撑，为推进基于复合PCMs的太阳光能量转化等应用提供了可能。