文章链接:https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106678
有机相变材料的泄漏问题和对阳光的不敏感严重限制了其在太阳能储能领域的大规模应用。将硬脂酸(SA)加入到由高岭土与醋酸钾插层和煅烧形成的碳包覆铝硅酸盐纳米层中,制备了一种高效率利用太阳能的定形复合相变材料(ss-PCM)。碳包覆铝硅酸盐纳米片具有较高的比表面积和孔体积,并具有良好的相容性,从而使复合材料具有良好的包覆能力(63.8%)和较高的潜热值(132.0 J/g);其表面的碳层具有优异的吸光能力,使得ss-PCM的光热转换效率高达92.1%。重要的是,复合材料ss-PCM的防漏能力不仅与碳包覆铝硅酸盐纳米层的固相毛细管力和表面张力有关,还与SA分子与纳米层之间的强化学键有关。因此,本研究为设计和构建具有特殊纳米层结构的粘土矿物(高岭石),制备具有优良光热转换和太阳能存储能力的复合材料ss-PCM提供了新的思路。
文章要点
要点一:利用高岭石制备了碳包覆铝硅酸盐纳米片
通过将高岭石与醋酸钾插层后,在隔绝空气的环境中煅烧,制备了具有分级多孔的碳包覆铝硅酸盐纳米片。这使得比表面积比原高岭土提高了6倍。
图1 Kaol、KK400、KK600的 (a)氮气吸附-脱附等温线, (b)孔径分布。
图2 (a) kaol,(b) KK400和(c) KK600的SEM图像;(d) Kaol,(e) KK400和(f) KK600的TEM图像;(g) SA/Kaol,(h) SA/KK400和(i) SA/KK600的SEM图像。
要点二:SA/KK600具有较高的储热密度和稳定性
相比高岭石原矿,碳包覆铝硅酸盐纳米片装载更多的相变材料,以及具有更好的循环稳定性,化学相容性和热稳定性。
图3 SA、SA/Kaol、SA/KK400、SA/KK600的 (a) DSC曲线,(b) 对应的相变焓,(c) 过冷度和 (d) 热导率。
图4 热循环处理前后 (a)
SA/Kaol,(b) SA/KK400,(c) SA/KK600的DSC曲线。(d) 热循环处理前后复合材料ss-PCM的相变焓。
图5 SA、Kaol、SA/Kaol、KK400、SA/KK400、KK600、SA/KK600的 (a) FT-IR光谱和 (b) XRD谱图。
图6 SA,SA、Kaol、SA/KK400和SA/KK600的红外热像图。
要点三:通过原位红外阐明了KK600对SA的防泄漏机理
通过原位红外揭示了SA/Kaol和SA/KK600在反复的相转变过程中,SA与Kaol和KK600之间的相互作用。可以看出,Kaol与SA羧基之间形成的氢键容易断裂,使熔化的SA脱落流出。对于SA/KK600,形成的化学键增加了SA与KK600的相互作用,使硬脂酸分子在反复的相变过程中被限制,使其难以分离。
图7 (a) SA和(b) SA/KK600在20 ~ 90 ℃范围内1600 ~ 1800 cm-1的原位FT-IR光谱;(c) 提出了SA和Kaol之间的相互作用和 (d)
SA和KK600之间的相互作用。
要点四:碳包覆铝硅酸盐纳米片可以增强复合材料的光热转换能力
SA/KK600复合材料ss-PCM的光热转换效率为92.1%,高于文献报道的大多数碳基复合相变材料光热转换效率。本研究有望为利用层状黏土矿物材料制备高效太阳能光热转换材料提供新思路。
图8 (a) SA、SA/Kaol、SA/KK400、SA/KK600光热转换曲线;(b) Δt为辐照强度为100 mW/cm2下测定的结果;(c) Kaol、KK400和KK600的拉曼光谱;(d) SA/Kaol、SA/KK400、SA/KK600的紫外-可见-近红外吸收光谱。