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研究亮點(diǎn)

本文是一篇非常新穎的綜述，對(duì)石墨烯(Gr)及其衍生物熔融相變材料的整個(gè)物理、結(jié)構(gòu)和熱表征都進(jìn)行了詳細(xì)的討論。首先介紹了Gr及其衍生物熔融相變材料及其應(yīng)用。還研究了Gr及其衍生物，如GA、GNPs、EG和GO的形態(tài)(物理結(jié)構(gòu))和熱表征。然后介紹了Gr、GO、GNPs和GA對(duì)相變納米復(fù)合材料(PCNC)不同性能的影響。最后總結(jié)了本文的結(jié)論，并對(duì)未來(lái)進(jìn)行了展望。

摘要

相變材料(PCMs)在滿足日益增長(zhǎng)的先進(jìn)熱管理方面的需求中發(fā)揮著主導(dǎo)作用，尤其是儲(chǔ)存和釋放太陽(yáng)能應(yīng)用中的熱能。然而，PCMs的有效性在很大程度上受到其不良導(dǎo)熱性的影響。因此，在本綜述中，詳細(xì)介紹和討論了近十年來(lái)在相變材料中應(yīng)用石墨烯(Gr)以解決上述不足所取得的進(jìn)展。Gr及其衍生物(Gr氧化物(GO)、Gr氣凝膠(GA)和Gr納米小片(GNPs))可以改善相變材料的導(dǎo)熱性能和形狀穩(wěn)定性，這可能是由于Gr具有特殊的熱物理性質(zhì)。此外，希望通過(guò)這次綜述，對(duì)使用Gr納米粒子的優(yōu)缺點(diǎn)提供更深刻的見(jiàn)解，并幫助研究人員找出Gr納米粒子的確切基本性質(zhì)，最終加強(qiáng)Gr納米粒子的應(yīng)用。

本工作利用傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)、X射線衍射譜(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)Gr及其衍生物基相變材料進(jìn)行了表征，確定了其晶體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合表面結(jié)構(gòu)知識(shí)進(jìn)行了物相鑒定。增加填充物(Gr及其衍生物)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)，可獲得更好的熱物理性能和熱穩(wěn)定性。并通過(guò)差示掃描量熱(DSC)、熱重分析(TGA)和熱導(dǎo)率測(cè)試等手段對(duì)其進(jìn)行了熱性能表征。凍結(jié)和熔融熱表明GR及其衍生物基相變材料具有很強(qiáng)的儲(chǔ)能能力，在其各種應(yīng)用中有所體現(xiàn)。

研究背景

相變材料(PCMs)的應(yīng)用是多方面的，主要見(jiàn)于民用和工業(yè)領(lǐng)域。在幾乎沒(méi)有任何能量減少的情況下，這些智能儲(chǔ)能系統(tǒng)可以以凍結(jié)/融化潛熱的形式儲(chǔ)存和釋放能量。近年來(lái)，固-汽相變材料和固-固相變材料在儲(chǔ)能和釋能方面都有明顯的改善，但固-液相變材料的相變熱比固-固相變材料高。與固-氣和液-氣體系相比，在相變過(guò)程中觀察到的體積變化也要小得多。

通常，存在兩種類型的固液相變材料，無(wú)機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料。無(wú)機(jī)相變材料具有較高的體積潛熱和儲(chǔ)能傾向，而有機(jī)相變材料具有無(wú)腐蝕性、自成核和同質(zhì)熔融等特性。最具吸引力的相變材料是有機(jī)相變材料家族中的正構(gòu)烷烴。石蠟(Pn)本身是一種含12~40個(gè)碳原子的正構(gòu)烷烴。隨著正構(gòu)烷烴碳原子數(shù)的增加，相變熱和熔化溫度也隨之增加。無(wú)機(jī)和有機(jī)相變材料面臨的問(wèn)題都是泄漏和低導(dǎo)熱系數(shù)。

石墨烯(Gr)及其衍生物，如Gr氧化物(GO)、Gr氣凝膠(GA)和Gr納米小片(GNPs)在避免由于這些填料在有機(jī)和無(wú)機(jī)相變材料中的極高導(dǎo)熱系數(shù)而導(dǎo)致的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低的問(wèn)題上發(fā)揮了關(guān)鍵作用。含碳材料可提高相變材料的形狀穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能。碳材料主要有膨脹石墨(EG)、石墨(Gr)、碳納米管(CNTs)和GNPs，其中Gr是最好、最獨(dú)特的納米材料，具有良好的熱物理性能。在相變材料中應(yīng)用Gr有望彌補(bǔ)相變材料自身在熱性能方面的不足。圖1描述了Gr的衍生物及其熱和物理性質(zhì)，包括所使用的各種相變材料以及各種相變材料表征技術(shù)的范圍。

圖1Gr基相變復(fù)合材料(PCC)和相變材料的類型，包括相變材料的性能及其表征范圍

研究?jī)?nèi)容

首先介紹了Gr和GO對(duì)相變納米復(fù)合材料(PCNC)不同性能的影響。對(duì)Gr和GO基PCNC進(jìn)行了表征，Gr具有碳原子排列，其晶格呈蜂窩狀。sp2雜化使Gr的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，從而獲得了高熱導(dǎo)率(3000-5000W/(m·K))。Gr分子的這一性質(zhì)使得它們?cè)谙嘧儾牧现行纬蓮?qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致存儲(chǔ)系統(tǒng)的熱導(dǎo)率增加。隨著相變材料中Gr和GO含量的增加，由于Gr的共價(jià)sp2鍵碳原子的存在，PCNC的導(dǎo)熱系數(shù)有了很大的提高。另外添加了Gr和GO的PCNC即使在900℃的高溫下也具有很好的熱穩(wěn)定性。

然后綜述了GNPs和Gr氣凝膠(GA)對(duì)PCNC不同性能的影響。GA是由原始的Gr層產(chǎn)生的。碳納米管和Gr的混合物留在模具中固化和脫水，留下GA，具有極強(qiáng)的吸水性和彈性。對(duì)GNPs和GAPCNC進(jìn)行了表征，GNP的平均寬度為5-10納米。這些納米顆粒由片狀Gr的短束組成。獨(dú)特的形貌和結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能。由于石墨的存在，它具有很好的導(dǎo)熱性和熱性能。隨著GNPs顆粒的增加，PA/PPy/GNPs形成穩(wěn)定的相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈線性上升。GA的加入同樣提高了相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，這是由于Gr的共價(jià)sp2鍵碳原子，也是由于Gr具有較大的晶粒尺寸、較高的平整度和較弱的層間結(jié)合能。

最后討論了基于Gr的相變材料在太陽(yáng)能領(lǐng)域的應(yīng)用。太陽(yáng)能熱電廠中的Gr基相變材料和Gr涂層利用蒸汽的直接產(chǎn)生和簡(jiǎn)單的再熱朗肯循環(huán)來(lái)儲(chǔ)存熱能，由于相變材料中存在導(dǎo)熱系數(shù)非常高的Gr，可以顯著縮短充放電時(shí)間。集中式太陽(yáng)能熱電廠的示意圖如圖2所示。另外還有太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中基于Gr的相變材料，太陽(yáng)能熱水器在白天收集太陽(yáng)能加熱熱水，Gr基相變材料吸收熱能并儲(chǔ)存。在夜間，從基于GR的相變材料中回收熱能來(lái)加熱水。原理圖如圖3所示。除此之外還討論了基于Gr的相變材料在太陽(yáng)能溫室、建筑、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電子散熱和熱能儲(chǔ)存方面的應(yīng)用。

圖2蒸汽朗肯循環(huán)集中太陽(yáng)能熱電廠示意圖

圖3LHTES太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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