研究背景：

由于有機固液相變材料具有高相變焓、穩定的相變溫度、低成本和優異的物理化學性能，因此他們在建筑節能、電池熱管理、光伏組件溫度控制、光熱利用和熱能存儲廣泛應用。

并且，基于有機固液相變材料的光熱轉換和存儲技術，有望克服太陽能的間歇性和熱能供需不匹配的問題，在太陽能應用中展現出巨大的前景。然而，固液相變過程中固有的低熱導率（TC）和易泄漏限制了其廣泛的實際應用。

研究人員為提高有機固液相變材料的綜合性能做出了許多努力。提高PCMs TC的主要方法是在PCMs中添加填料，碳基材料（碳納米管、石墨烯、膨脹石墨（EG）、泡沫碳)、金屬泡沫和納米顆粒。同時，部分TC填料還起到一定的防滲漏、吸收太陽光和作為支撐載體等作用。

上海第二工業大學邴乃慈副教授和于偉教授合作，以“Energy harvesting and storage blocks based 3D oriented expanded graphite and stearic acid with high thermal conductivity for solar thermal application”為題在《Energy》期刊（IF=7.147）發表研究性文章。

研究內容：

有機固液相變材料（PCM）的光熱轉換和存儲在克服不連續太陽輻射方面顯示出巨大的潛力。然而考慮到制造出色的光熱轉換、傳熱和能量存儲的集成設備仍然是一個挑戰。

文中，作者通過壓縮誘導石墨片自組裝構建3D取向膨脹石墨(EG)，然后加載硬脂酸(SA)以形成取向PCM。在相同的石墨質量分數和填充密度下，3D PCM的面內熱導率、熱響應和儲能密度優于非取向PCM。

當石墨含量為20wt%時，定向相變材料的熱導率比非定向相變材料高34.2%，潛熱保持在159.36 J/g以上。

我們進一步制備了儲能磚，并協調定向EG垂直于銅管軸向的熱傳導。儲能磚的光熱能轉換效率達到95.3%，充放電過程平均功率分別為2.1 kW和2.4 kW。該太陽能儲能裝置的設計方法提高了PCMs的光熱轉換、儲能效率，為大規模光熱應用提供了一種簡單且經濟的策略。

研究結果：

圖1.構建定向3D石墨骨架與EG/SA定向復合塊的合成示意圖。

圖2.儲能系統示意圖。

圖3.(a)原始EG、(b)3D定向EG、(c)PCM1(S2)和(d)PCM2(S8)的SEM圖像。（SA標記為藍色）。

圖4.SA、EG、PCM1(S2)和PCM2(S8)的(a)XRD光譜和(b)FT-IR光譜。

圖5.純SA、PCM1和PCM2的相變行為。(a)純SA和S8在加熱和冷凍過程中的DSC曲線。(b)純SA和加熱和冷凍過程中的DSC曲線。(c)純SA、S2、S8和S10的熔化和凝固潛熱。(d)S2在不同循環時間的潛熱。

圖6.PCM1和PCM2在室溫下的熱傳導特性。(a)PCM2的TC隨EG含量的變化而變化(所有復合材料的堆積密度都控制在0.95 g·m-3的最佳密度)。(b)不同堆積密度的PCM1和PCM2的TC。(c)PCM1和PCM2的TC機制。(d)不同復合材料的TC和增強因子比較。

圖7.不同樣品的加熱和冷卻過程及表面溫度的紅外熱圖像。

圖8.光熱轉換性能測試得到的不同樣品的時間-溫度曲線。(a)樣品光熱轉換性能實驗裝置示意圖。(b)從兩個光熱表面到復合塊的傳熱示意圖。(c)兩個光熱表面和純SA表面的全光譜吸收。陰影顯示太陽輻射。(d)在100 mW·cm-2光強下，炭黑 3D表面和純SA復合塊內部的溫度分布。(e)在極端日照強度下，PCM1和PCM2的內部溫度分布。Journal Pre-proof 21插圖顯示了其潛熱存儲時間。(f)不同厚度（1 cm、2 cm、4 cm、7 cm）儲能磚的熱性能。插圖顯示了它的能量存儲時間。

圖9.(a)儲能磚傳熱過程示意圖和(b)紅外照片。

圖10.(a)和(b)PCM1在不同進水溫度下的加熱和冷卻過程。(c)和(d)在加熱過程中特定進水溫度下ESB1和ESB2的溫度演變。

來源|Energy，熱質納能原文|https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124198