北京林大许凤团队: 新型无泄漏、高潜热纤维素基光热转换相变储热材料

化石能源大量消耗所造成的环境污染问题正激励研究人员开发新型可再生能源以实现人类社会的可持续发展。太阳能作为最丰富、最清洁的可再生能源，被认为是化石能源的有力替代 者 。然而，太阳能存在昼夜间歇 问题 难以满足人们日益增长的能源需求 ，急需 寻找高效的储热材料以解决 该 问题。相变材料 不仅具有潜热高、成本低、兼容性好的优点，还 可以将太阳辐射产生的热量以潜热的形式储存。然而，相变材料在固-液相 转换 过程中会发生泄漏，这极大地限制了相变材料的使用寿命。此外，相变材料自身 较差的 光吸收能力也 制约 了其在太阳能储热领域的 进一步 应用。

鉴于此， 北京林业大学许凤教授团队 基于 再生纤维素骨架 与 聚乙二醇 （P EG ）的氢键及毛细管作用，并利用 Fe ₃ O ₄ 纳米粒子强大的光 吸收 诱导光热效应 能力， 制备 了 无泄漏、高光吸收的纤维素基相变储热材料。 作者指出，这种材料不仅展现了高潜热和无泄漏封装性能，还具有优异的光-热转换效率，在太阳能收集、建筑和人体热调节、热量储存等方面具有广阔的应用前景。

纤维素基相变储热材料的制备

纤维素基相变储热材料的制备方法如图1所示。 将 纤维素溶解浆溶解 在 离子液体中，在水中再生得到纤维素水凝胶。然后，将水凝胶依次浸渍到Fe ²⁺ /Fe ³⁺ 和氢氧化钠溶液中 共沉淀 Fe ₃ O ₄ 纳米粒子。最后，将上述负载Fe ₃ O ₄ 纳米粒子的水凝胶 浸渍 到熔融 P EG中通过溶剂交换 的方式 制备无泄漏、高 光吸收 的纤维素基相变材料。

与传统定型相变材料制备方法不同，此方法通过溶剂交换在层状纤维素骨架中填充 P EG，简化了制备步骤 且 实现了相变材料的无泄漏封装；首次通过共沉淀法在相变材料中 负载 Fe ₃ O ₄ 纳米粒子，提高了复合材料的光吸收性能。

图1   纤维素基相变储热材料的制备

纤维素基相变储热材料的封装和储热 性能

纤维素基相变储热材料的封装效果如图2所示。在80 ℃热台上放置60 mi n，复合相变 材料无明显漏液现象；承受超过自身重量200倍的压力， 复合相变 材料依然能够保持原始形状。 这得益于纤维素骨架和P EG 形成的氢键和毛细作用力 ， 使其 具有良好的 封装效果和形状 稳定性。纤维素基相变储热材料的储热性能如图3所示。 复合 相变材料具有高潜热（172.6 ~ 177.7 J/ g ）和高 P EG负载率（95.3% ~ 98.1%）。经过100次循环， 复合 相变材料的潜热和化学结构无变化，保证了 其 在长期使用过程中的可靠性。

图2 纤维素基相变储热材料的封装效果

图3 纤维素基相变储热材料的储热性能

纤维素基相变储热材料的 光-热转 换性能 和热调节应用

纤维素基相变储热材料的光-热 转换 性能如图4所示。 由于 Fe ₃ O ₄ 纳米粒子作为强大的光 吸收 剂诱导了光-热效应 ，因此 负载Fe ₃ O ₄ 纳米粒子的相变材料具有高光吸收率（>90%）和光-热转换效率（70.7 ~ 86.7%）。此外，在46 °C和38 °C出现了两个 热 平台，这表明 复合 相变材料 发生 了固-液 转换 ，进而实现了太阳 能 热量的储存和释放。

图4 纤维素基相变储热材料的光-热转换性能

进一步评估了 复合 相变材料 的 光-热性能在建筑热调节方面的应用 ，见 图5。相变材料具有高疏水和自清洁能力，使其具有更好的环境适应性。覆盖 复合 相变材料的模拟房屋昼夜温差小（32 ~ 38℃） ， 更适宜人类居住 ； 不覆盖 复合 相变材料的房屋最高温和最低温分别为53 ℃和25 ℃，昼夜温差 高 达28 ℃。这 是因为 相变材料在白天吸收太阳能将热量储存，夜间缓慢释放热量，达到 维持 室内温度相对恒定的目的。

图5 纤维素基相变储热材料的热调节应用

在该 工作中，再生纤维素骨架 与P EG 产生的氢键和毛细作用力 实现了相变材料的无泄漏封装 ；纤维素 骨架中共沉淀 的 Fe ₃ O ₄ 纳米粒子实现了优异的光-热转换 性能 （70.7 ~ 86.7%）。解决了传统相变材料存在的固-液泄露和 光吸收能力 差的问题。复合相变材料具有高潜热（172.6 ~ 177.7 J/ g ）、 优异的 循环稳定性、自清洁和建筑物热调节功能 ， 在太阳能收集、建筑和人体热调节、热量储存等方面具有良好的应用前景。

这一研究成果近期发表在 Energy Conversion and Management 杂志上， 陈胜博士和许凤教授 为 该 文的通讯作者，博士研究生 张健康 为文章的第一作者。该研究得到了 高等学校创新引智 计划 项目（ B21022 ） 和中国博士后科学基金 （ 2021M690415 ） 的资助。