東華大學(xué)張圣明、陳仕艷和王華平團隊Small：一步合成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多功能細(xì)菌纖維素基膜材料-實現(xiàn)太陽能-熱能的轉(zhuǎn)換、儲存和利用
光熱轉(zhuǎn)換作為太陽能利用的重要方向之一，其瞬時可用性一直限制其應(yīng)用范圍。因此，用最簡單的方法構(gòu)建具有合理網(wǎng)絡(luò)支撐和低泄漏的復(fù)合光熱相變材料(PCM)，通過相變材料自身的潛熱實現(xiàn)太陽能的長期轉(zhuǎn)換和存儲，對于解決太陽能瞬態(tài)可用性，實現(xiàn)持久能量輸出具有重要意義。
圖1：交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多功能細(xì)菌纖維素相變膜的一步構(gòu)建和應(yīng)用
近期，東華大學(xué)張圣明博士后、陳仕艷和王華平教授團隊以細(xì)菌纖維素(BC)為載體材料，甲基三甲氧基硅烷(MTMS)為一級交聯(lián)劑，羥基化碳納米管(HCNT)為二級交聯(lián)劑和光熱材料，PEG為相變材料，采用最簡單的一步原位合成法制備了一種具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多功能硅烷化BC/HCNT/PEG (SBTP)復(fù)合光熱膜(圖1)。簡化了復(fù)合光熱膜的制備流程，實現(xiàn)了BC網(wǎng)絡(luò)的增強，HCNT的優(yōu)良分散性以及PEG分子鏈的直接引入和完美互鎖。因此，最佳的SBTP光熱復(fù)合膜展現(xiàn)優(yōu)異的熱誘導(dǎo)柔韌性、可定制性、改善的機械性能、可調(diào)節(jié)的親水性和提高的熱導(dǎo)率(圖2)。此外，最佳的SBTP薄膜還表現(xiàn)出145.1 J g?1的高熱焓，超過94%的焓效率，優(yōu)異的形狀穩(wěn)定性和<1.2%的低泄漏 (圖3)。同時，它還顯示出超過80 °C的高光熱轉(zhuǎn)換能力，394 s g?1 的高光熱存儲能力和優(yōu)異的熱存儲穩(wěn)定性 (圖4)。因此，當(dāng)將其用于太陽能-熱能-電能轉(zhuǎn)換時，SBTP膜在3個太陽照射下可顯示出423 mV的最大輸出電壓，30.26 W m?2的功率密度以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性 (圖5)。更有意義的是，它還可以應(yīng)用于太陽能電池和LED芯片的熱管理，并將余熱轉(zhuǎn)化為電能，展現(xiàn)出多場景應(yīng)用能力 (圖6)。該工作以“One-Step Synthesis of Multifunctional Bacterial Cellulose Film-Based Phase Change Materials with Cross-Linked Network Structure for Solar–Thermal Energy Conversion, Storage, and Utilization”為題發(fā)表在《Small》期刊上。文章第一作者是東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2021級博士研究生張冬。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。
圖2：熱致柔性，可定制性，機械強度，改善的親水性和提高的熱導(dǎo)率
圖3：熱能的存儲和形狀穩(wěn)定性
圖4：太陽能-熱能的轉(zhuǎn)換與存儲
圖5：太陽能-熱能-電能的轉(zhuǎn)換
圖6：電子設(shè)備的熱管理與余熱利用
該工作是團隊近期關(guān)于細(xì)菌纖維素基復(fù)合光熱材料相關(guān)研究的最新進展之一。此外，細(xì)菌纖維素材料在能源轉(zhuǎn)換與存儲上的應(yīng)用研究一直是該團隊的重點方向研究之一。近幾年，該團隊以細(xì)菌纖維素為基體開發(fā)了一系列的復(fù)合光熱轉(zhuǎn)換材料，并將其在光熱海水淡化(Carbohydrate Polymers, 2023, 321, 121324; ACS Applied Materials and Interfaces, 2022, 14(10), 12284–12294; Desalination, 2021, 500, 114899)，光熱溢油回收(Chemical Engineering Journal, 2023, 470, 144436)和光熱存儲(Small 2023, 2307259)等方面實現(xiàn)了杰出應(yīng)用。同時，為了更深入的研究細(xì)菌纖維素在能源轉(zhuǎn)換上的應(yīng)用潛力，他們還對細(xì)菌纖維素材料做了不同的加工，實現(xiàn)了其在鹽差能到電能上的轉(zhuǎn)換(Nano Energy, 2022, 103, 107786; Nano Energy, 2021, 88, 106275; Nano Energy, 2021, 80, 105554)，以及熱差能到電能上的轉(zhuǎn)換(Nano Energy, 2023, 112, 108482; Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2306509; Nano Letters, 2022, 22(20), 8152–8160)。接下來，團隊將對細(xì)菌纖維素材料在能源轉(zhuǎn)換與存儲上繼續(xù)更深入的探索和研究，歡迎關(guān)注。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307259
