成果简介
本文，北京化工大学材料科学与工程学院李晓锋教授、于中振 教授等研究人员在《Adv Funct Mater》期刊发表名为“Bioinspired Intelligent Solar-Responsive Thermally Conductive Pyramidal Phase Change Composites with Radially Oriented Layered Structures toward Efficient Solar–Thermal–Electric Energy Conversion”的论文，研究为了弥补相变材料光热转换能力弱、导热系数低和结构稳定性差的缺点，构建了具有许多径向取向层的金字塔形石墨化壳聚糖/石墨烯气凝胶（G-CGAs），其中石墨烯片的长距离径向排列是通过一种新颖的定向冷冻策略实现的。G-CGA/聚乙二醇相变复合材料表现出2.90 W m-1 K-1的热导率和178.8 J g-1的潜热，在200 mW cm-2的光照强度下，实现了90.4%的卓越太阳-热能转换和储存效率，以及99.7℃的最高温度。
受睡莲启发，通过将G-CGA/聚乙二醇相变复合材料与太阳驱动的双层薄膜组装在一起，首次设计了太阳反应性相变复合材料（SPCCs），它在白天绽放，在夜晚关闭。太阳驱动薄膜的保温效果导致SPCC在夜间的温度较高。在200和500 mW cm-2的光照强度下，基于SPCC的太阳能-热能-发电机的输出电压分别达到了499.2和1034.9 mV。即使在停止太阳能辐照后，由于薄膜的潜热释放和保温作用，电压输出仍然发生。
图文导读
图1、a） 说明G-CGA及其导热G-CGA/PEG复合材料的制造示意图。b） 径向结构的层状微量元素示意图。通过c）定向冷冻和e）常规铜管法说明冰晶生长方向的示意图。d） 显示定向冷冻过程中冰晶生长以及CS和GNP成分堆积的示意图。f，g） CGA1、h，i） CGA2、j，k） CGA3、l，m） CGA4 和 n，o） CGA5 的侧视 SEM 图像。
图2、a) CGA4、C-CGA4和G-CGA4的XRD图案和b) XPS光谱。c) CGA4、C-CGA4和G-CGA4的非线性拟合后的ID/IG频率分布曲线和平均ID/IG柱状图。d) CGA4, e) C-CGA4, 和 f) G-CGA4的拉曼映射图。蓝色、绿色和红色分别对应于ID/IG值为0、≈0.6和≈1.25。
图3、a） 加热和b）冷却PEG和G-CGA/PEG复合材料的DSC曲线。c） G-CGA/PEG复合材料的TGA曲线。d） G-CGA4/PEG在第1次、第50次和第100次加热-冷却循环下的DSC曲线。e、 f）PEG和PCCs的热导率。g） 基于有限元分析，得出了具有径向和垂直骨架的三维复合模型中温度随时间的分布结果。
图4、a) SDFs的制造示意图。b) SDFs的顶视、底视和侧视结构示意图，以及它们的太阳能驱动的弯曲机制。c,d) SDF1, e,f) SDF2和g,h) SDF3的横截面SEM图像。l) SDF1、SDF2和SDF3在200 mW cm-2的光照强度下的太阳驱动反应性。箭头指向LDPE层的分子链取向方向。
图5、a） 在200 mW cm−2的光照强度下，太阳能热转换过程中G-CGA4/PEG的红外图像。b-c）在200 mW cm−2的光照强度下，金字塔形G-CGA4/PEG和正方形G-CGA4-PEG的底部和顶部区域的温度-时间曲线。d） 睡莲，白天开花，晚上闭上。e） SPCC太阳能响应性示意图。f） 在200 mW cm−2的光照强度下，SPCC和G-CGA4/PEG在太阳能热转换后的冷却过程中的温度-时间曲线的比较。g） 基于有限元分析，在冷却过程中，有和没有太阳能驱动膜的PCCs在不同时间的温度分布。h） 基于有限元分析的具有和不具有太阳能驱动膜的PCCs的温度-时间曲线。
图5、STE发电机的STE能量转换性能
小结
通过CS/GNP悬浮液的新型定向冷冻，然后冻干、碳化和石墨化制备了具有许多径向取向层的金字塔形石墨烯气凝胶，以增强PEG PCCs的热传导、太阳能-热能转换和形状稳定性。在模拟应用场景中，STE发生器可以为模拟交通信号灯供电以支持其运行，展示了SPCC在STE转换应用中的巨大潜力。
文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202302527
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