Page 94 - 《精细化工》2021年第5期
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·948·                             精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 38 卷

                 随着全球工业经济的飞速发展，不可再生能源                              基于以上问题，本工作制备出具有储能性能的
            的消耗速率已远远超出预期。在寻找新型替代能源                             光热转换相变材料。使用还原氧化石墨烯气凝胶多
            的同时，提高现有能源的利用效率也受到重视                      [1-4] 。  孔骨架吸附二十烷获得了复合相变材料。该方法最
            其中，热能的储存与转换已成为缓解能源需求的主                             大的优势是简单易操作。通过对复合材料的性能进
            要策略    [5-6] 。作为潜在的热能存储材料，相变材料可                    行表征，研究了复合相变材料的热导率、储热潜力、
            与热能存储系统结合使用，以实现可再生能源的循                             稳定性以及光热转换效率。
            环，达到节约能源的目的            [6-7] 。作为相变材料的分支
                                                               1   实验部分
            之一，有机相变材料以其卓越的热存储性能吸引了
            众多关注。它们拥有适用温度范围广、无过冷或过                             1.1   试剂与仪器
            冷度低、与材料兼容性好和无反应、无腐蚀性等优                                 石墨粉（325 目），中国科学院成都有机化学有
            点，可以通过相变过程吸收或释放热量，以控制温                             限公司；浓硫酸（质量分数 95.0%~98.5%）、过硫酸
            度波动，大大提高能源利用效率               [8-10] 。更重要的是，        钾（K 2 S 2 O 8 ）、高锰酸钾（KMnO 4 ）、盐酸（HCl），
            经过反复的相变循环后，其不会遇到相分离和潜热                             工业级，天津市光复精细化工研究所；五氧化二磷
            降低的麻烦      [11] 。然而，热导率低和泄露问题限制了                   （P 2 O 5 ，工业级）、双氧水（质量分数 30%，AR）、
            其应用    [12] 。                                      维生素 C（Vitamin C，AR）、二十烷（Eicosane，
                 经过研究者的不懈努力，上述难题的各种解决                          AR），天津凤川化学试剂技术有限公司；去离子水
            方法应运而生。在相变过程中，解决相变材料泄漏                             （DI），实验室自制。
            难题的有效策略是制备形状稳定的相变材料                     [13-14] 。      差示扫描量热仪（Setaram DSC 131 evo），凯璞
            这类技术的核心是将液态相变材料控制在网络骨架                             科技（上海）有限公司；热重分析仪（TA SDT-Q600），
            或壳中，以防止熔融过程中的泄漏物与周围环境的相                            北京悠然睿智系统技术有限公司；导热测试仪
            互作用，从而提高材料的安全性和能源利用效率                     [7,15] 。  （Xiatech TC3010），西安夏溪电子科技有限公司；
            此外，相变材料热导性增强的方法通常是插入高热                             太阳模拟器（Newport Thermo Oriel 91195A-1000），
            导片或者添加纳米颗粒（例如碳纳米管、碳纳米纤                             美国 Newport Corporation-Oriel Instruments 公司；电子
            维和金属纳米颗粒）          [16] 。对于相变材料来说，控制               显微镜（Hitachi-s4800），苏州赛恩斯仪器有限公司。
            泄漏的优先级仍然高于提升热导率。气凝胶作为当                             1.2   还原氧化石墨烯气凝胶/二十烷复合材料制备
            前的三维网状纳米多孔材料，具有超低密度、大孔                                 氧化石墨烯（GO）通过改进的 Hummers 法制
            体积、高比表面积的特点，是一种非常优异的固态                             备而成   [23] 。复合材料的制备步骤如下：取 0.4 g 维生
            网络骨架     [17] 。而石墨烯气凝胶继承了石墨烯和气凝                    素 C 加入到 60 mL 5.0 g/L 的 GO 溶液中，并搅拌均
            胶高比表面积、高孔隙率、高电导率以及良好的热                             匀。把混合物放入 45  ℃烘箱中，保持 12 h，得到
            导率和机械强度等优点           [2,7,18] 。近年来，用石墨烯气           还原氧化石墨烯（r-GO）水凝胶。先缓慢滴加无水
            凝胶封装相变材料以制备复合相变材料引起了研究                             乙醇 50 mL 到水凝胶中，然后静置 4 h，用注射器吸
            者的关注。轻质石墨烯气凝胶的多孔骨架可以吸收                             取烧杯中的混合溶液，保持凝胶形态稳定，再缓慢
            大量的相变材料，起到防止相变材料在相变过程中                             滴加无水乙醇。如此重复进行 12 次溶剂置换后，通
            泄漏的作用，并为相变材料提供导热路径，从而保                             过 40  ℃超临界 CO 2 干燥，得到 r-GO 气凝胶（r-GO
            持较高的相变潜热。因此，石墨烯气凝胶显示出在                             aerogel），并用手术刀将气凝胶切成所需要尺寸的样
            制备高性能复合相变材料方面的巨大潜力                    [18-19] ，但   条（长度 2 cm 以上，宽度 5 mm 以上，厚度大于
            是残留的含氧基团和结构缺陷导致石墨烯气凝胶传                             0.1 mm）。用烧杯配制二十烷不同质量的二十烷二氯
            热效率低下。因此，去除残留基团和修复结构缺陷是                            甲烷（100 mL）溶液，将 r-GO aerogel 样条浸没于
            获得高导热性网络骨架的关键。然而，常用的处理过                            二十烷二氯甲烷溶液中，然后将烧杯置于真空干燥
            程需要极高的温度（1400~2800  ℃）且工艺繁琐               [20-21] ，  箱内并控制箱内温度为 40 ℃，干燥过夜后得到复合
            对于实际应用来说极不可行。作为储能相变材料，二                            样品。将复合样品置于 80  ℃干燥箱中，用滤纸吸
            十烷具有无毒、无污染的特性，熔融潜热约为 247 J/g。                      收样品表面的二十烷，定时更换直到不再有二十烷
            与其他相变材料相比，相同质量的二十烷具有更高                             流出为止，得到的产物为 r-GO aerogel/eicosane 样
            的相变潜热。此外，二十烷在结构上稳定，可以在                             品。样品中二十烷的理论质量分数为 80%、85%、
            重复的相变过程中保持结构完整性，而不会发生化                             90%和 95%，对应命名为 PCM1、PCM2、PCM3 和
            学变化    [22] 。                                      PCM4。整个制备流程如图 1 所示。
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