成果简介
相变材料（PCMs）在多能源转换和热能储存方面提供了相当大的可能性，但其明显的熔体泄漏、火灾风险、低导热性和光吸收性差等缺点阻碍了其实际应用。本文，中国地质大学（武汉）安全工程系 周克清 特任教授团队在《ACS Appl. Nano Mater.》期刊发表名为“Multi-Stimuli-Responsive Aerogels Composed of Ag Nanoparticle-Coated Graphene Nanosheets for Energy Storage and Conversion”的论文，研究通过水热还原和热退火工艺构建混合气凝胶（GAA），然后真空浸渍石蜡（PW），得到形状稳定的复合 PCM（PW-GAA），实现了 AgNPs 和石墨烯纳米片的完美匹配。
石墨烯纳米片连接的三维多孔网络作为AgNPs的分散载体，确保了PW-GAA高效的传热途径、有效的蓄热能力以及优异的光热和电热转换能力。与纯 PW 相比，PW-GAA3 的熔体泄漏率降低到了 2.56%，同时热稳定性和阻燃安全性也得到了提高。此外，PW-GAA3 的太阳-热转换效率达到 92.62%，电-热转换效率达到 95.19%。此外，它还实现了 200.5 mV 的太阳能-热能-电能转换输出电压。这项工作为有效的多能源转换和热能储存利用提供了一种前景广阔的方法
图文导读
图1.PW-GAA的制造路线。
图2. GAA 气凝胶（a）和 PW-GAA （b）的 XRD 曲线。(c) PW-GAA 的傅立叶变换红外光谱。样品的扫描电镜图像：(d, d1) GA 和 (d2) PW-GA；(e, e1) GA1 和 (e2) PW-GAA1；(f, f1) GAA2 和 (f2) PW-GAA2，(g, g1) GAA3 和 (g2) PW-GAA3；(h, h1) GAA4 和 (h2) PW-GAA4。
图3：（a）纯 PW 和 PW-GAA 的热导率。加热过程中的泄漏率（b）和样品的数码照片：（c-h）纯 PW、PW-GAA、PW-GAA1、PW-GAA2、PW-GAA3、PW-GAA4。
图4. 纯 PW 和 PW-GAA 的 TG（a）、DTG（b）、HRR（c）和 THR（d）曲线。
图5. (a) 电热转换示意图。(b/c) 纯 PW 和 PW-GAA 的温度曲线和ηb。(d) PW-GAA3 在不同工作电压下的温度曲线，(e) PW-GAA3 在 2 V 下 10 个周期的温度曲线。(f) 本研究与之前研究的电热转换能力比较。
图6. AgNPs和石墨烯气凝胶协同耦合促进的多能转换机制。
小结
本研究针对石蜡光热转换效率低、形状稳定性差、易燃易爆等缺点，通过耦合AgNPs和还原氧化石墨烯构建了GAA气凝胶，以包裹PW，同时提供多种能量转换途径。AgNPs 的引入调整了 GAA 骨架的孔隙结构，促进了 PW 的牢固吸附并提高了导热性。与纯 PW 相比，最佳 PW-GAA3 相变复合材料的潜热保持率高达 97%，导热率提高了 39.35%。此外，由于 AgNPs 和石墨烯薄片的协同阻燃效应，与纯 PW 相比，PW-GAA3 的 T5%温度从 185.2 ℃延迟到 201.5 ℃，而 PHRR 则降低了 30.2%，这表明复合 PCM 具有可靠的热稳定性和防火安全性。
此外，AgNP 辅助石墨烯气凝胶使 PW-GAA3 具有光热转换和电热转换的有利组合，使其实现了极高的光热转换效率（92.62%）和电热转换效率（95.19%）。这拓展了石墨烯气凝胶基复合相变材料的能量转换形式，有助于进一步提高能源利用效率。基于塞贝克效应，使用PW-GAA3可以实现太阳能热电发电，输出电压为200.5 mV，在未来的实时温度监测和预警中具有巨大的应用潜力。这项工作表明，AgNPs和石墨烯气凝胶的协同耦合使形状稳定的PW-GAA复合相变材料能够有效地响应多模拟的能量转换和存储，为太阳能的利用和缓解能源危机提供了一个有前景的解决方案。
文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c02622
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