成果简介
石墨烯基多孔结构有望解决有机相变材料（PCM）的导热性差、渗漏、形状稳定性问题，同时赋予其优异的太阳能/电热转换能力，但它们仍然受到有机“粘合剂”引起的结构中高界面热/电阻的限制。本文，郑州大学《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Carbonization welding graphene architecture for thermally conductive phase change composites with solar/electric-to-heat conversion ability”的论文，研究针对芳纶纳米纤维（ANF）优异的凝胶能力和高度有序的共轭分子结构，采用单向冷冻铸造结合碳化焊接技术，构建了ANF辅助的石墨烯多孔结构。
由于ANF衍生的碳化和石墨烯相似的石墨晶格结构，高度垂直取向的石墨烯结构中的界面热/电阻大大降低。因此，在1500 °C碳化石墨烯结构封装的PCMs复合材料在仅4.85 vol%的情况下表现出高达4.26 W/mK的出色导热性，这使得PCM复合材料能够快速传热和储存。具有高孔隙率的蜂窝多孔石墨烯结构可以容纳足够的PCM用于储能，表现出149.7 J/g的高潜热焓，在相变过程中具有优异的形状稳定性。更重要的是，石墨烯架构赋予了PCM复合材料优异的太阳能/电热转换能力，这不仅扩展了PCM存储的能量类型，而且在需要连续稳定温度环境的热管理应用中也很有前途。
图文导读
图1. (a) C-mGAs 结构及其 PCMs 复合材料的制备过程示意图。(b) 碳化前（上图）和碳化后（下图）的结构照片。(c-d) mGAs 和 (e-f) C-mGAs 结构在 1500 °C 下碳化的横截面和表面的扫描电镜图像。
图2：(a) XRD 和 (b) WAXD图样，(c) (0 0 2) 的相应FWHM和d-间距，(d) 拉曼光谱，(e) 2D波段的拟合峰，(f) 相应的 ID/IG 和晶体尺寸，(g) 不同碳化温度下 mGAs、C-mGAs 的傅立叶变换红外光谱和 (h) XPS 光谱。(i) C-mGAs-1500和 C-mGAs-1500 在 C1s 区域的高分辨率 XPS 光谱。
图3. 不同碳化温度（a）和不同 GNP 含量（b）下 PCM 复合材料的热导率。(c)1Vol%热导率的提高与之前报告的 PCM 复合材料的比较。(d) 根据金属泡沫理论对实验数据进行拟合。(e) mGAsP 和 (f) C-mGAsP 不同预指数的模型拟合曲线。
图4. PCMs 复合材料在 (a) 60 °C 工作台和 (c) 80 °C 工作台加热，然后在环境中冷却的温度变化曲线。(b) C-mGAsP 在反复加热和冷却过程中的温度曲线。含有不同（d）碳化温度和（e）GNP 含量的碳化结构 PCMs 复合材料的加热温度曲线。
图5. (a) PEG、mGAsP 和 C-mGAsP 的紫外-可见吸收光谱。PEG、mGAsP 和 C-mGAsP 在太阳模拟器辐射（250 mW/cm2）下的温度变化曲线（b）和太阳能蓄热效率（c）。(d）不同辐照强度下 C-mGAsP 的温度变化曲线。(e) C-mGAsP 的 I-V 线性曲线。(f) C-mGAsP 在输入电压下的红外热图像和 (g-h) 温度变化曲线。(i) 不同电压下 C-mGAsP 的电热储存效率。
图6：（a）PEG 和 C-mGAsP 复合材料的 DSC 曲线和（b）相应的熔化/结晶焓。(c) C-mGAsP 在反复加热/冷却循环中的 DSC 曲线。(d) 不同 GNP 含量的 C-mGAsP 复合材料的 TG 曲线和 (e) 热效率。(f) C-mGAsP 在加热阶段（80 °C）恒定压缩负载下的照片和红外热图像。
小结
综上所述，通过冰模板自组装和碳化焊接策略定制了高度有序的ANF/GNP架构，实现了复合材料的优异性能。碳化后，ANF与GNP紧密相连，其晶体结构与石墨烯相似，实现了石墨烯之间的晶格连接，降低了GNP之间的界面热阻。复合材料的导热系数随着碳化温度的升高而增大。当GNP含量为4.26 vol%，碳化温度为1500 °C时，PCMs复合材料（C-mGAsP-4.26）的导热系数可达4.85 W /mK，导热系数增强效率可达1277%。3D C-mGA可以封装PEG以解决泄漏问题并提高形状稳定性。同时，C-mGAs结构使复合材料获得了优异的热稳定性和光热转换性能。同时，由于石墨化率的提高，该架构具有优异的导电性，使C-mGAsP具有电热转换性能，以管理夜间的热。对C-mGAsP施加电压后，记录其内部电流特性符合欧姆定律，欧姆定律是符合焦耳定律的可靠电加热器。在复合材料中，通过施加小电压可以有效地驱动相变，并获得较高的电加热储能效率。
文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146087
本文来自 材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
