前沿綜述：石墨烯及其衍生物對相變材料熱機械性能的影響及應用

2022-12-17
來源：石墨烯聯(lián)盟

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[導讀] 石墨烯及其衍生物對相變材料熱機械性能的影響及應用

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研究亮點

本文是一篇非常新穎的綜述，對石墨烯(Gr)及其衍生物熔融相變材料的整個物理、結構和熱表征都進行了詳細的討論。首先介紹了Gr及其衍生物熔融相變材料及其應用。還研究了Gr及其衍生物，如GA、GNPs、EG和GO的形態(tài)(物理結構)和熱表征。然后介紹了Gr、GO、GNPs和GA對相變納米復合材料(PCNC)不同性能的影響。最后總結了本文的結論，并對未來進行了展望。

摘要

相變材料(PCMs)在滿足日益增長的先進熱管理方面的需求中發(fā)揮著主導作用，尤其是儲存和釋放太陽能應用中的熱能。然而，PCMs的有效性在很大程度上受到其不良導熱性的影響。因此，在本綜述中，詳細介紹和討論了近十年來在相變材料中應用石墨烯(Gr)以解決上述不足所取得的進展。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。此外，希望通過這次綜述，對使用Gr納米粒子的優(yōu)缺點提供更深刻的見解，并幫助研究人員找出Gr納米粒子的確切基本性質，最終加強Gr納米粒子的應用。

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Gr及其衍生物基相變材料進行了表征，確定了其晶體結構，并結合表面結構知識進行了物相鑒定。增加填充物(Gr及其衍生物)的質量分數(shù)(%)，可獲得更好的熱物理性能和熱穩(wěn)定性。并通過差示掃描量熱(DSC)、熱重分析(TGA)和熱導率測試等手段對其進行了熱性能表征。凍結和熔融熱表明GR及其衍生物基相變材料具有很強的儲能能力，在其各種應用中有所體現(xiàn)。

研究背景

相變材料(PCMs)的應用是多方面的，主要見于民用和工業(yè)領域。在幾乎沒有任何能量減少的情況下，這些智能儲能系統(tǒng)可以以凍結/融化潛熱的形式儲存和釋放能量。近年來，固-汽相變材料和固-固相變材料在儲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，無機相變材料和有機相變材料。無機相變材料具有較高的體積潛熱和儲能傾向，而有機相變材料具有無腐蝕性、自成核和同質熔融等特性。最具吸引力的相變材料是有機相變材料家族中的正構烷烴。石蠟(Pn)本身是一種含12~40個碳原子的正構烷烴。隨著正構烷烴碳原子數(shù)的增加，相變熱和熔化溫度也隨之增加。無機和有機相變材料面臨的問題都是泄漏和低導熱系數(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和無機相變材料中的極高導熱系數(shù)而導致的相變材料導熱系數(shù)低的問題上發(fā)揮了關鍵作用。含碳材料可提高相變材料的形狀穩(wěn)定性和導熱性能。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、最獨特的納米材料，具有良好的熱物理性能。在相變材料中應用Gr有望彌補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，包括所使用的各種相變材料以及各種相變材料表征技術的范圍。

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

研究內容

首先介紹了Gr和GO對相變納米復合材料(PCNC)不同性能的影響。對Gr和GO基PCNC進行了表征，Gr具有碳原子排列，其晶格呈蜂窩狀。sp2雜化使Gr的結構非常穩(wěn)定，從而獲得了高熱導率(3000-5000W/(m·K))。Gr分子的這一性質使得它們在相變材料中形成強大的網絡，從而導致存儲系統(tǒng)的熱導率增加。隨著相變材料中Gr和GO含量的增加，由于Gr的共價sp2鍵碳原子的存在，PCNC的導熱系數(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PCNC不同性能的影響。GA是由原始的Gr層產生的。碳納米管和Gr的混合物留在模具中固化和脫水，留下GA，具有極強的吸水性和彈性。對GNPs和GAPCNC進行了表征，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。獨特的形貌和結構使其具有優(yōu)異的力學性能。由于石墨的存在，它具有很好的導熱性和熱性能。隨著GNPs顆粒的增加，PA/PPy/GNPs形成穩(wěn)定的相變材料的導熱系數(shù)呈線性上升。GA的加入同樣提高了相變材料的導熱系數(shù)，這是由于Gr的共價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合能。

最后討論了基于Gr的相變材料在太陽能領域的應用。太陽能熱電廠中的Gr基相變材料和Gr涂層利用蒸汽的直接產生和簡單的再熱朗肯循環(huán)來儲存熱能，由于相變材料中存在導熱系數(shù)非常高的Gr，可以顯著縮短充放電時間。集中式太陽能熱電廠的示意圖如圖2所示。另外還有太陽能熱水系統(tǒng)中基于Gr的相變材料，太陽能熱水器在白天收集太陽能加熱熱水，Gr基相變材料吸收熱能并儲存。在夜間，從基于GR的相變材料中回收熱能來加熱水。原理圖如圖3所示。除此之外還討論了基于Gr的相變材料在太陽能溫室、建筑、電池熱管理系統(tǒng)、電子散熱和熱能儲存方面的應用。