碳基复合相变材料的研究进展

      随着全球变暖、能源短缺和供应困难，化石燃料的耗竭持续增长，提高能源利用效率和开发新的可再生能源为缓解日益增长的全球能源需求和实现低碳未来提供了有效的解决方案。在各种可再生能源中，太阳能仍然是一种有前途的候选能源，可以为工业制造、建筑及家庭应用提供热能。然而，热能供需之间存在时间和地理上的不匹配。因此，采用热能储存(TES)来解决这一问题。目前主要有三种热能存储技术：显热储能、潜热储能和热化学反应储能。基于潜热储能的相变材料（PCMs）具有储能密度高、潜热高、能保持几乎恒定的温度等优点，是应用最广泛的热能存储材料。然而限制固-液相变材料大规模应用的主要问题之一是相变过程中的泄漏问题，因此在使用前必须将其结构稳定[4-5]。许多学者通过设计形状稳定的相变材料来克服该技术问题，主要包括将相变材料包覆到微胶囊中或将相变材料吸附到多孔载体中[6]。除此之外，导热系数也是储能系统中影响相变材料性能指标的重要参数之一，简而言之，相变材料的导热系数直接影响储能和释能过程中的传热速率。鉴于多孔炭材料具有良好的光吸收性、高导电性、独特的孔隙结构、化学稳定性等诸多特点，在复合相变材料领域备受关注
      高性能碳基复合相变材料在热能存储技术方面具有广泛应用，特别是在保护环境和节约 能源方面具有突出作用，可以有效地促进可再生能源和可持续能源的发展。然而，复合相变 材料仍然面临着形状稳定性差、能量密度低，导热性能差及能量转换效率不高的现实问题。本文系统地总结了基于不同碳材料(CNTs、CFs、石墨烯/GO/rGO、MOF 衍生碳、石墨、EG、 生物质衍生碳及碳气凝胶)的复合相变材料用于热管理、热传导、热传递、能量转换和多功 能利用方面的研究进展，尽管目前的研究已取得丰硕成果，但仍有一些关键问题需要进一步 研究和解决：
   （1）与无序碳材料相比，具有有序分布取向的碳材料更有利于能量存储与转化，因此， 探索简单易行的有序分布取向碳材料的合成策略迫在眉睫。
   （2）虽然利用碳材料增强相变材料导热性能的研究很多，但大多数研究都停留在实验 研究阶段，缺乏对机理的深入探讨。基于理论、数值、模拟和实验方法的结合，对热传递规 律进行多尺度研究为制备高导热碳基复合相变材料提供理论指导。
   （3）目前提高碳基复合相变材料的储能密度主要集中在调节碳材料的表面性质、孔径、 孔尺寸等方面，关于碳材料孔尺寸、孔形状和分级孔分布与相变材料之间的尺寸效应、约束 效应等相互作用研究比较少，需要进一步借助分子动力学模拟等先进方法进一步研究。
   （4）碳基复合相变材料尽管已经在实验室装置实现了高效的太阳能光热转换，由于目 前的计算方法没有考虑试验装置在暴露的外部环境下的热损失，因此太阳能-热、电-热、磁
-热能量转换效率的优化计算方法还有待更深层次探索。
   （5）碳基复合相变材料工业化大规模应用仍然受到限制，因此，抑制热损失，提高其 储能密度、能量收集效率和长期循环稳定性等方面需加大研究力度。与光-热转换效率相比， 提高碳基复合相变材料的电-热转换和磁-热转换效率是未来的发展方向。
   （6）为了拓宽相变材料在机械、光学、电子、声学、磁学、生物和化学等相关领域的 广泛应用，应致力于开发先进的、综合性能优异的多功能碳基复合相变材料
      二维石墨烯是一种以六方晶格形式存在的碳原子单层晶体，由于其独特的化学和物理性 质，如耐高温、光吸收能力强、高的电导率和热导率等[47-48]。因此，2D 石墨烯在提高复合 相变材料的热导率和能量转换效率方面是一种很有前途的材料。此外，2D 石墨烯及其衍生 物还可以组装成石墨烯泡沫、石墨烯气凝胶等 3D 宏观和轻质结构材料，进一步能提高复合 相变材料的热导率、光热和电热转换效率。
本文转自《王成君，汪林强，马晶，孟淑娟，段志英，孙初锋，苏琼．碳基复合相变材料的研究进展[J/OL]．化工进展.》