蘇州納米所等在3D打印豆莢結(jié)構(gòu)光熱相變儲(chǔ)能微格研究方面獲進(jìn)展
將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成熱能并進(jìn)行有效存儲(chǔ)是太陽(yáng)能利用的重要方式,相變材料(PCM)光熱能量捕獲和儲(chǔ)存因其具有高能量?jī)?chǔ)存和釋放能力、相變時(shí)溫度變化小、可重復(fù)利用、長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn),在太陽(yáng)能的高效轉(zhuǎn)換與開(kāi)發(fā)方面有巨大應(yīng)用潛力。PCM的有效和可靠封裝是實(shí)現(xiàn)高性能光熱能量捕獲和儲(chǔ)存的關(guān)鍵。然而,傳統(tǒng)PCM封裝技術(shù)在相變時(shí)容易發(fā)生泄漏,并且難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?;苽?,限制了其光熱能量利用。因此,探索發(fā)展合適的PCM封裝技術(shù),實(shí)現(xiàn)光熱PCM裝置的高效能量存儲(chǔ)/釋放、融化PCM抗?jié)B漏和易于規(guī)?;苽洌匀皇且粋€(gè)巨大挑戰(zhàn)。
近日,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張永毅研究員、李清文研究員,河南理工大學(xué)楊政鵬教授受天然豆類(lèi)結(jié)構(gòu)啟發(fā),提出了基于擠出的核-鞘3D打印策略構(gòu)建豆莢結(jié)構(gòu)正十八烷(OD)/石墨烯(BOG)相變微格的方法。相變微格具有規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu),OD“豆”被獨(dú)立有效封裝在由緊密堆疊和排列的石墨烯薄片構(gòu)成的高度互聯(lián)石墨烯網(wǎng)絡(luò)包裹層中。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征有利于光擴(kuò)散進(jìn)入相變微格內(nèi)部、快速光熱能量捕獲和傳遞,因而具有較高的潛熱、光熱能量?jī)?chǔ)存容量和效率。同時(shí),相變微格具有優(yōu)異的熱可靠性和穩(wěn)定性,即使在多次循環(huán)和部分破損的BOG中也不會(huì)發(fā)生泄漏和形狀變化。此工作顯示了3D打印技術(shù)在PCM封裝方面的可行性,為構(gòu)建基于PCM的光熱能量?jī)?chǔ)存裝置提供了新策略。
圖1 相變儲(chǔ)能微格的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2 BOG相變微格的3D打印及墨水流變特性
圖3 3D打印豆莢狀相變結(jié)構(gòu)的形貌特征
圖4 3D打印BOG相變結(jié)構(gòu)的紅外圖像及熱導(dǎo)性能
圖5 BOG相變微格的光學(xué)和熱特性
圖6 BOG相變微格的熱穩(wěn)定性
相關(guān)成果以“Bean-Pod-Inspired 3D-Printed Phase Change Microlattices for Solar-Thermal Energy Harvesting and Storage”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Small上。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFA0203301)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51862035,52062048)等項(xiàng)目的資助,謹(jǐn)此感謝。河南理工大學(xué)楊政鵬和賈勝敏為論文共同一作,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張永毅研究員和李清文研究員為論文通訊作者。此外,團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制濕法3D打印環(huán)境、溫度、墨水種類(lèi)、針頭結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)軌跡等條件拓展出多種打印成型方法,實(shí)現(xiàn)了多股、并股、多層復(fù)合纖維及復(fù)雜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的直接打印成型,通過(guò)纖維干燥及還原過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控及不同打印材料的加入,使纖維具有優(yōu)異的力電性能及不同的功能特性,從而驗(yàn)證其在儲(chǔ)能、傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用,相關(guān)工作發(fā)表在CEJ、JEC、Carbon等期刊上(Chemical Engineering Journal, 2021, 423, 130304; Chemical Engineering Journal, 2020, 400, 125835; Journal of Energy Chemistry, 2020, 51, 434-441; Carbon, 2018, 132, 241-248; Composites Communications, 2021, 26, 100783)。
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