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研究亮點

本文是一篇非常新穎的綜述，對石墨烯(Gr)及其衍生物熔融相變材料的整個物理、結(jié)構(gòu)和熱表征都進行了詳細的討論。首先介紹了Gr及其衍生物熔融相變材料及其應(yīng)用,。還研究了Gr及其衍生物,，如GA,、GNPs,、EG和GO的形態(tài)(物理結(jié)構(gòu))和熱表征,。然后介紹了Gr、GO,、GNPs和GA對相變納米復(fù)合材料(PCNC)不同性能的影響,。最后總結(jié)了本文的結(jié)論，并對未來進行了展望,。

摘要

相變材料(PCMs)在滿足日益增長的先進熱管理方面的需求中發(fā)揮著主導作用,，尤其是儲存和釋放太陽能應(yīng)用中的熱能。然而,，PCMs的有效性在很大程度上受到其不良導熱性的影響。因此,，在本綜述中,，詳細介紹和討論了近十年來在相變材料中應(yīng)用石墨烯(Gr)以解決上述不足所取得的進展。Gr及其衍生物(Gr氧化物(GO),、Gr氣凝膠(GA)和Gr納米小片(GNPs))可以改善相變材料的導熱性能和形狀穩(wěn)定性,，這可能是由于Gr具有特殊的熱物理性質(zhì)。此外，希望通過這次綜述,，對使用Gr納米粒子的優(yōu)缺點提供更深刻的見解,，并幫助研究人員找出Gr納米粒子的確切基本性質(zhì)，最終加強Gr納米粒子的應(yīng)用,。

本工作利用傅立葉變換紅外光譜(FT-IR),、X射線衍射譜(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)對Gr及其衍生物基相變材料進行了表征，確定了其晶體結(jié)構(gòu),，并結(jié)合表面結(jié)構(gòu)知識進行了物相鑒定。增加填充物(Gr及其衍生物)的質(zhì)量分數(shù)(%),，可獲得更好的熱物理性能和熱穩(wěn)定性,。并通過差示掃描量熱(DSC)、熱重分析(TGA)和熱導率測試等手段對其進行了熱性能表征,。凍結(jié)和熔融熱表明GR及其衍生物基相變材料具有很強的儲能能力,，在其各種應(yīng)用中有所體現(xiàn)。

研究背景

相變材料(PCMs)的應(yīng)用是多方面的,，主要見于民用和工業(yè)領(lǐng)域,。在幾乎沒有任何能量減少的情況下，這些智能儲能系統(tǒng)可以以凍結(jié)/融化潛熱的形式儲存和釋放能量,。近年來,，固-汽相變材料和固-固相變材料在儲能和釋能方面都有明顯的改善，但固-液相變材料的相變熱比固-固相變材料高,。與固-氣和液-氣體系相比,，在相變過程中觀察到的體積變化也要小得多。

通常,，存在兩種類型的固液相變材料,，無機相變材料和有機相變材料。無機相變材料具有較高的體積潛熱和儲能傾向,，而有機相變材料具有無腐蝕性,、自成核和同質(zhì)熔融等特性。最具吸引力的相變材料是有機相變材料家族中的正構(gòu)烷烴,。石蠟(Pn)本身是一種含12~40個碳原子的正構(gòu)烷烴,。隨著正構(gòu)烷烴碳原子數(shù)的增加，相變熱和熔化溫度也隨之增加,。無機和有機相變材料面臨的問題都是泄漏和低導熱系數(shù),。

石墨烯(Gr)及其衍生物，如Gr氧化物(GO),、Gr氣凝膠(GA)和Gr納米小片(GNPs)在避免由于這些填料在有機和無機相變材料中的極高導熱系數(shù)而導致的相變材料導熱系數(shù)低的問題上發(fā)揮了關(guān)鍵作用,。含碳材料可提高相變材料的形狀穩(wěn)定性和導熱性能。碳材料主要有膨脹石墨(EG)、石墨(Gr),、碳納米管(CNTs)和GNPs,，其中Gr是最好、最獨特的納米材料,，具有良好的熱物理性能,。在相變材料中應(yīng)用Gr有望彌補相變材料自身在熱性能方面的不足。圖1描述了Gr的衍生物及其熱和物理性質(zhì),，包括所使用的各種相變材料以及各種相變材料表征技術(shù)的范圍,。

圖1Gr基相變復(fù)合材料(PCC)和相變材料的類型，包括相變材料的性能及其表征范圍

研究內(nèi)容

首先介紹了Gr和GO對相變納米復(fù)合材料(PCNC)不同性能的影響,。對Gr和GO基PCNC進行了表征,，Gr具有碳原子排列，其晶格呈蜂窩狀,。sp2雜化使Gr的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,，從而獲得了高熱導率(3000-5000W/(m·K))。Gr分子的這一性質(zhì)使得它們在相變材料中形成強大的網(wǎng)絡(luò),，從而導致存儲系統(tǒng)的熱導率增加,。隨著相變材料中Gr和GO含量的增加，由于Gr的共價sp2鍵碳原子的存在,，PCNC的導熱系數(shù)有了很大的提高,。另外添加了Gr和GO的PCNC即使在900℃的高溫下也具有很好的熱穩(wěn)定性。

然后綜述了GNPs和Gr氣凝膠(GA)對PCNC不同性能的影響,。GA是由原始的Gr層產(chǎn)生的,。碳納米管和Gr的混合物留在模具中固化和脫水，留下GA,，具有極強的吸水性和彈性,。對GNPs和GAPCNC進行了表征，GNP的平均寬度為5-10納米,。這些納米顆粒由片狀Gr的短束組成,。獨特的形貌和結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的力學性能。由于石墨的存在,，它具有很好的導熱性和熱性能,。隨著GNPs顆粒的增加，PA/PPy/GNPs形成穩(wěn)定的相變材料的導熱系數(shù)呈線性上升,。GA的加入同樣提高了相變材料的導熱系數(shù),，這是由于Gr的共價sp2鍵碳原子，也是由于Gr具有較大的晶粒尺寸,、較高的平整度和較弱的層間結(jié)合能,。

最后討論了基于Gr的相變材料在太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用。太陽能熱電廠中的Gr基相變材料和Gr涂層利用蒸汽的直接產(chǎn)生和簡單的再熱朗肯循環(huán)來儲存熱能，由于相變材料中存在導熱系數(shù)非常高的Gr,，可以顯著縮短充放電時間,。集中式太陽能熱電廠的示意圖如圖2所示。另外還有太陽能熱水系統(tǒng)中基于Gr的相變材料,，太陽能熱水器在白天收集太陽能加熱熱水,，Gr基相變材料吸收熱能并儲存。在夜間,，從基于GR的相變材料中回收熱能來加熱水,。原理圖如圖3所示。除此之外還討論了基于Gr的相變材料在太陽能溫室,、建筑,、電池熱管理系統(tǒng)、電子散熱和熱能儲存方面的應(yīng)用,。

圖2蒸汽朗肯循環(huán)集中太陽能熱電廠示意圖

圖3LHTES太陽能熱水器系統(tǒng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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