近日，西南交通大学力学与航空航天学院王朝明副教授研究团队在对碳基复合相变材料的能量转换方面的研究取得重要进展。相关工作以“Light-thermal-electric energy conversion based on polyethylene glycol infiltrated carboxymethylcellulose sodium-derived carbon aerogel”为题发表在能源科学领域顶级期刊《Energy Conversion and Management》（中科院一区TOP，IF:11.533）。王朝明副教授为第一作者和通讯作者，硕士研究生黄正为第二作者。
图1论文首页
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，过去十年来，科学工作者将其应用在电力、航空航天、光伏、太阳能电池、混合能源系统、光催化等领域进行了大量的努力。目前，将太阳能转换为电能的方法有两种。一种是太阳能光伏转换，另一种是太阳能光热转换。在这两种方法中，太阳能光伏转换可以获得高品位的电能，但它面临着普遍的挑战，即最先进的光伏系统的能量转换效率通常低于50%。太阳能热利用效率较高，但获得的热能品位较低。
对于太阳能光热转换系统，具有光热能力的材料用于收集太阳光辐射并转换为可使用的热能，由于其操作简单、光热转换效率高，引起了广泛的研究兴趣。通常，相变材料是储热的主要介质。根据化学成分，相变材料可分为无机相变材料和有机相变材料。有机相变材料，包括石蜡、脂肪酸、醇、酯、和一些聚合物（如聚乙二醇），具有相变焓大、相变温度范围宽、无过冷和沉淀、化学性质稳定和无腐蚀的优点。然而，这些有机相变材料在利用过程中存在一些缺陷。一方面，材料导热系数低，传热性能差，储放热效率低；另一方面，这种材料通过固液相变工作，在液态下容易泄漏。这两个主要缺陷在一定程度上限制了其实际应用。
基于上述考虑，具有高导热性和光吸收的光热碳材料的互连3D结构成为有机相变材料支撑基体的合理选择。纤维素作为一种资源丰富且无环境污染的材料，适合制造碳泡沫或气凝胶。在之前的研究中，本课题组开发了一种使用柠檬酸作为交联剂和冷冻干燥技术制备3D羧甲基纤维素钠水凝胶的简便方法，当使用15wt%柠檬酸作为交联剂时，该方法显示出具有低密度、多孔结构、良好力学性能以及染料吸收性能的3D最佳网络结构。在此，继我们的具有最佳结构的交联水凝胶之后，我们制备了具有高效光热电能转换和存储能力的三维羧甲基纤维素钠碳气凝胶（CCA）和有机相变复合材料。通过羧甲基纤维素钠水凝胶的交联、冷冻干燥和热解制备多孔且相互连接的CCA。然后通过真空渗透技术将聚乙二醇（PEG）的有机相变材料浸渍到多孔CCA15中，以获得熔点为59.3°C、熔融焓为185.3 J/g的PEG/CCA15复合相变材料。此外，研究了太阳光强度对PEG/CCA15的光热性能和转换效率的影响。研究发现，所制备的PEG/CCA15复合材料不仅具有较大的储能密度、良好的形状稳定性和较高的导热性，而且可以通过连接到商用Seebeck热电装置来实现光热和光电能的转换和存储，这为可持续太阳能利用提供了广阔的应用前景。
图2 PEG/CCA15复合相变材料优良的光-热性能
图3 PEG/CCA15复合相变材料优良的光-热-电转换性能
该研究受到了西南交通大学雏鹰计划（No.:2682017CY08）、中央高校基本科研业务费专项资金（Nos. 2682017CX089和2682021ZTPY022）和广东省分布式能源系统重点实验室（No：2020DES4）的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115948
