高质量各向异性石墨烯气凝胶及其导热相变复合材料，用于高效太阳能-热-电能转换

具有高焓值的有机相变材料（PCM）是理想的储热和放热材料，有望促进热能利用，缓解能源短缺问题。然而，普通有机相变材料固有的吸光性差、导热性差、形状稳定性弱等缺点严重制约了太阳能的吸收、转化和利用。近日，北京化工大学李晓锋教授、于中振教授团队通过在 2800 °C 下进行单向冷冻、冻干、碳化和石墨化，首次设计出了由预氧化聚丙烯腈（OPAN）/氧化石墨烯（GO）成分制成的高质量各向异性石墨烯气凝胶。GO成分能有效地诱导OPAN成分的取向和石墨化，并在石墨化过程中将其转化为石墨碳。在用石蜡进行真空辅助浸渍后，得到了一种最佳的导热相变复合材料（PCC），在石墨烯含量为1.07 Vol%的低水平下，其通面导热系数提高到了4.36Wm ^-1K ^-1，形状稳定性得到改善，潜热保持率高达99.7%。得益于出色的光吸收和太阳-热转换能力，PCC在太阳-热-电能量转换应用中非常高效，在5kWm ^-2 的模拟太阳光照射下，输出电压高达1181mV。通过释放存储在PCC中的热能，即使在太阳光停止照射后，它也可以继续为LED灯供电。这项工作为制造具有高潜热保持率的导热PCC提供了一种可行而有效的方法，用于高效的太阳能-热能-电能转换。相关研究成果以“High-Quality Anisotropic Graphene Aerogels and Their Thermally Conductive Phase Change Composites for Efficient Solar–Thermal–Electrical Energy Conversion”为题发表于《ACS Sustainable Chem. Eng.》。

图1.（a） PG气凝胶及其石蜡相变复合材料的制造示意图。（b,c）PG4的侧视图和（d，e）俯视图SEM图像。（f） PG4的数码照片。

图 2. (a) 在 OPAN/GO 悬浮液中以不同的初始 GO 比率制备的 PG 气凝胶的表观密度。插图显示了不同 PG 气凝胶的尺寸。(b) PG 气凝胶的 XRD 图。(c) PG 气凝胶的 (002) 衍射角和 FWHM 图。(d) PG1、(e) PG2、(f) PG3、(g) PG4 和 (h) PG5 在 2800 °C 石墨化后的拉曼图。(i) PG 气凝胶的平均 ID/IG 值和晶体尺寸。

图3. (a) 未退火的 PG4 和 (b) 1000 °C 退火的 PG4 的拉曼图谱。(c) XPS 图样，以及 (d) 未退火 PG4、PG4-1000 ℃ 和 PG4-2800 ℃ 的平均 ID/IG 值和 C/O 原子比。

图4. (a) PPG 复合材料的纵向和横向导热系数。(b) PiPG 复合材料的导热系数。(c) 石蜡和 PPG 相变复合材料的热重分析曲线。(d) PPG 相变复合材料的残留物质量百分比，以及 (e) 填充物含量和导热率提高效率。(f) PPG4 的热导率和潜热保持率与已报道的 PCC 的比较。红外图像显示石蜡和 PPG4 在同步（g）加热和（h）冷却过程中的热反应。

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