背景介绍
相变材料(Phase Change Materials, PCMs)作为能量储存和转换材料，不仅可以在相变过程中吸收和释放潜热，还可以通过可控的潜热吸收和释放来调节目标物周围的温度。因此，PCM在热管理和温度调节方面具有潜在的应用前景。虽然PCM在热能利用和热管理领域具有很大的潜力，但大多数PCM光热转换性能较差，限制了PCM的太阳能利用效率。因此，探索具有优异光热转换性能的相变材料至关重要。
研究人员在 PCM中加入了光热转换材料来增强其吸收阳光的性能，以获得良好的光热相变储能性能。镓铟合金(EGaIn)作为一种液态金属，因其流动性强、电导率高、导热性好，在柔性可穿戴电子产品、热界面材料等领域得到了广泛的应用。到目前为止，基于EGaIn的光热相变储能材料的报道很少，主要是由于EGaIn的储能性能较低。因此，同时提高EGaIn的光热转换和储能性能，对于拓宽EGaIn在光热相变储能领域的应用具有重要的科学意义。在之前的工作中，硬脂酸-镓铟合金（STA-EGaln）TA-EGaIn作为一种有机相变储能材料，由于相变过程中固有的液体泄漏，其大规模应用受到限制。因此，克服光热相变储能系统的泄漏是至关重要的。
多孔支架与 PCM相结合是防止相变过程中泄漏的有效方法。在之前发表的研究中，多孔支架在防止相变材料泄漏方面取得了优异的效果。但这些多孔支架的不可生物降解性会对环境造成负面影响，因此许多研究人员将重点转向了基于生物质材料的支架。然而，有机PCMs的导热性差也极大地限制了纤维素/有机PCMs复合材料的实际应用。
尽管STA-EGaIn中的EGaIn具有优异的导热性，但EGaIn与硬脂酸(STA)之间仍然存在热阻，这将降低相变储能复合材料的导热性。降低热阻是提高相变储能复合材料导热性的一种很有前途的方法。最近，通过被动热管理调节红外发射的能力赋予了PCMs在红外隐身领域的潜在应用。然而，如何同时提高相变材料的热管理和红外隐身性能，提高相变焓，提高光热转换能力和导热系数，目前的研究还很少。因此，有必要构建基于EGaIn的相变材料，同时提高相变焓、光热转换能力和导热系数，以及多场景应用(热管理和红外隐身)，以扩展其在下一代新型高性能EGaIn基相变材料中的应用。
02
近期，新加坡国立大学材料科学与工程系Swee Ching Tan教授联合南京林业大学付宇教授在开发具有高相变焓、光热转换能力和导热系数的EGaIn基相变材料取得新进展。本研究通过简单的机械球磨工艺制备了一种具有优异光吸收性能的新型EGaIn基相变储能材料(STA-EGaIn)。采用定向冷冻干燥法和烷基化反应法制备了木片激发纤维素纳米晶气凝胶，同时提高了木片激发纤维素纳米晶气凝胶的防漏和浸渍性能。为了提高STA-EGaIn的导热性能和光热性能，引入MoS2来降低STA-EGaIn的界面热阻，调整EGaIn基相变储能复合材料的光吸收性能。所得复合材料具有优异的光热转换性能、高相变焓、防泄漏性能和增强的导热性。结果表明，基于EGaIn的PCM可用于太阳辐照下储能装置(超级电容器)的温度调节，在红外隐身领域具有广阔的应用前景。该工作为制备具有高光吸收性能的新型EGaIn基相变储能材料和EGaIn在相变储能和热管理领域的广泛应用铺平了新的道路。研究成果以“Wood Lamella-Inspired Photothermal Stearic Acid-Eutectic Gallium-Indium-Based Phase Change Aerogel for Thermal Management and Infrared Stealth ”为题发表于《Small》。
图1.(a) STA-5EGaIn/MoS2的制备工艺,(b) 烷基化碳纳米管气凝胶,(c) A- CNC /STA-5EGaIn/MoS2气凝胶。
图2.(a)CNC和A- CNC的FTIR曲线,(b) CNC和A- CNC的XPS曲线,(c,d)C 1s与CNCs和A-CNCs的XPS谱拟合,(e)STA-5EGaIn、MoS2和STA-5EGaIn/MoS2的FTIR曲线,(f)STA-5EGaIn/MoS2的XPS曲线,(g)C1s拟合STA-5EGaIn/MoS2的XPS光谱,(h) Ga 2p1/2拟合STA-5EGaIn/MoS2的XPS光谱,(i)Ga 2p3/2拟合STA-5EGaIn/MoS2的XPS光谱,(j)STA-5EGaIn/MoS2的Mo 3d拟合XPS光谱,(i) EGaIn,(l) STA-5EGaIn,(m)STA-5EGaIn/MoS2的图像。
图3.(a)放大180倍的STA-50EGaIn扫描电镜图像,(a’)300倍放大后的STA-50EGaIn扫描电镜图像,(b)放大180倍后STA20EGaIn的SEM图像,(b’)300倍放大后的STA-20EGaIn扫描电镜图像,(c) STA-5EGaIn在100倍放大下的SEM图像,(c’)放大500倍后STA-5EGaIn的SEM图像,(d)放大18000倍后的MoS2的SEM图像,(e)放大180倍时STA-5EGaIn/MoS2的SEM图像,(f)放大300倍时STA-5EGaIn/MoS2的SEM图像光热加热性能。
图4.(a) STA-50EGaIn, (b) STA-20EGaIn, (c) STA-5EGaIn和(d) STA-5EGaIn/MoS2的数字图像,STA, STA- 50egain, STA20EGaIn, STA- 5egain和STA- 5EGaIn /MoS2的DSC热图,(e)熔化和(f)冻结过程。STA、STA- 50EGaIn、STA- 20EGaIn、STA- 5EGaIn、STA- 5EGaIn /MoS2的DSC数据为:(g)熔化温度(Tm)， (h)冻结温度(Tf)， (i)熔化焓(ΔHm)，( j)冻结焓(ΔHf),(k) STA、EGaIn粉末和STA- 5EGaIn的紫外-可见吸收光谱,(l) STA-5EGaIn和STA-5EGaIn/MoS2的紫外-可见吸收光谱。
图5.CNCs气凝胶的SEM图:(a)俯视图，(b)内部侧面视图,A-CNCs气凝胶的SEM图像:(c)内部侧视图,(d) A-CNC/STA-5EGaIn/MoS2气凝胶的数字图像,A-CNC /STA-5EGaIn/MoS2气凝胶的SEM图像:(e)俯视图，(f)内部侧面视图。样品在80℃时的防漏性能:(g) STA-5EGaIn/MoS2样品,(h) a - cnc /STA-5EGaIn/MoS2气凝胶。
图6.STA、STA- 5EGaIn /MoS2、CNC /STA- 5EGaIn /MoS2气凝胶和A -CNC /STA- 5EGaIn /MoS2气凝胶的DSC热图:(a)熔化和(b)冷冻过程。STA、STA- 5EGaIn /MoS2、CNC /STA- 5EGaIn /MoS2气凝胶和A -CNC /STA- 5EGaIn /MoS2气凝胶的DSC数据:(c)熔化温度(Tm)，(d)冷冻温度(Tf)，(e)熔化焓(ΔHm)，(f)冷冻焓(ΔHf),(g) STA、STA- 5EGaIn /MoS2、CNC/STA- 5EGaIn /MoS2气凝胶和A -CNC /STA- 5EGaIn /MoS2气凝胶的浸渍比(R)和h)储热能力(h),(i)一系列光热PCMs相变焓的比较。
图7.(a)模拟阳光下的A-SC示意图,(b) sc示意图,(c) A-SC示意图,(d) SC的CV曲线,(e) A - CNC/STA-5EGaIn/MoS2气凝胶和SC在阳光照射下的温度变化,(f) A-SC和纯SC在阳光照射下的温度变化,(g) A-SC中SC和SC在太阳照射下的升温速率,(h) SC和A-SC在阳光照射下的电容保持量,(i) A-SC在太阳照射下的第1、59次CV曲线,(j)太阳照射下A-SC的第一次GCD曲线和第35次GCD曲线,(k) A - CNC /STA-5EGaIn/MoS2气凝胶在A-SC中的吸热和放热示意图。
图8.(a)复合材料光热转化过程示意图,(b) cnc气凝胶、A - CNC气凝胶、A - CNC/STA-5EGaIn气凝胶和A - CNC /STA-5EGaIn/MoS2气凝胶的紫外-可见-近红外反射光谱,(c) 1 kW m−2下A - CNC /STA-5EGaIn气凝胶和A - CNC /STA-5EGaIn/MoS2气凝胶的表面温度变化曲线,(d) A - CNC /STA-5EGaIn气凝胶在1 kW m−2和冷却过程下的红外图像,(e) A - CNC /STA-5EGaIn/MoS2气凝胶在1 kW m−2和冷却过程下的红外图像,(f) 1.5 kW m−2下A - CNC /STA5EGaIn气凝胶表面温度变化曲线,(g) 2 kW m−2条件下A - CNC/STA-5EGaIn/MoS2气凝胶表面温度变化曲线,(h) STA、A - CNC /STA- 5egain气凝胶和A - CNC /STA- 5egain /MoS2气凝胶的导热系数。
图9.(a)A-CNCs STA-5EGaIn /二硫化钼气凝胶加热在90℃/33分钟的红外热图像,(b)的红外热图像的加工中心气凝胶加热在33分钟≈90℃),(c)热物体的表面辐射温度和地表辐射温度变化A-CNCs / STA-5EGaIn /二硫化钼气凝胶在加热过程中在33分钟,90℃,( d)的表面辐射温度热对象和加工中心气凝胶的表面辐射温度变化在供暖,(e)A-CNC /STA-5EGaIn/MoS2气凝胶与CNC气凝胶在≈90°C加热33 min过程中的表面辐射温度变化对比,(f)A-CNC/STA-5EGaIn/MoS2气凝胶红外热像图,(g)手的表面辐射温度和A-CNC/STA-5EGaIn/MoS2气凝胶在手上5分钟的表面辐射温度变化,(h)A-CNC /STA-5EGaIn/MoS2气凝胶的红外隐身机理。
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