节能建筑中光热存储与形状记忆材料的创新研究
在2020年《Chemical Engineering Journal》发表的文章“Melamine Foam/Reduced Graphene Oxide Supported Form-Stable Phase Change Materials with Simultaneous Shape Memory Property and Light-to-Thermal Energy Storage Capability”聚焦于一种新颖的相变存储材料的开发。此项研究由西南交通大学材料科学与工程学院的Hai-Yan Wu, Song-Tai Li, Yao-Wen Shao, Xin-Zheng Jin, Xiao-Dong Qi, Jing-Hui Yang, Zuo-Wan Zhou和Yong Wang等人完成，是一个关于如何改进相变材料（PCMs）在能源存储和多功能性上的创新案例。
背景
随着能源消耗的不断增加、化石燃料的昂贵成本及其对环境的负面影响，开发可持续的能源存储与利用方式变得至关重要。热能与太阳能因其丰富性和可再生性，被视为替代传统化石能源的理想选择。相变材料（Phase Change Materials, PCMs）因其能够以潜热形式存储和释放能量，已广泛应用在节能建筑、电子设备热管理及太阳能收集等领域。
然而，传统的PCMs尤其是广泛应用的石蜡（Paraffin Wax, PW），存在液体渗漏和刚性过强两个主要问题，分别影响了材料的稳定性和易用性。此外，低吸光能力的特点限制了传统PCMs在太阳能存储与转换中的应用。因此，开发具有良好形状稳定性（Form-Stable）、形状记忆性（Shape Memory）以及光热存储能力的PCMs成为研究人员关注的重点目标。
研究目标
鉴于上述问题，该研究旨在构建一种新型复合相变材料（MF/RGO/PW），突破传统PCMs在液体渗漏、刚性不足及太阳能利用率低等方面的限制。这种复合材料有以下特点：
- 光热存储能力：通过加入还原氧化石墨烯（Reduced Graphene Oxide, RGO）提高光吸收和热转换效率。
- 形状记忆性能：通过引入三维（3D）柔性密胺泡沫（Melamine Foam, MF）作为支撑框架，赋予材料形状恢复与固定的能力。
- 综合性能优化：确保高潜热、形状稳定和循环可靠性，以满足建筑节能的实际需求。
研究方法与流程
材料的制备
MF/RGO泡沫的制备：
- 用浸涂法将氧化石墨烯（GO）涂覆在密胺泡沫上，然后用氢碘酸还原处理，形成具有三维网络结构的RGO/MF泡沫。
- 调整GO的浸泡时间与溶液浓度，可控制泡沫的RGO含量。
MF/RGO/PW复合材料的制备：
- 在真空环境下，将MF/RGO泡沫浸渍在溶解好的石蜡/环己烷溶液中，使石蜡均匀填充至泡沫内部。
- 溶剂蒸发后，得到最终的MF/RGO/PW复合相变材料。
材料的性能表征
实验使用了多种技术对复合材料的形貌、热物性、光热性能及形状记忆特性进行表征：
- 形貌结构：通过扫描电子显微镜（SEM）与光学显微镜（OM）验证泡沫骨架上RGO的存在及石蜡负载的均匀性。
- 热性能测试：用差示扫描量热技术（DSC）测定复合材料的相变潜热值和相变温度。
- 光热转换性能：通过模拟光源照射和红外温控仪记录复合材料光照下的温度变化。
- 形状记忆性能：通过热致弯曲与恢复实验，以及红外光诱导形状记忆测试，评估材料的形状固定与恢复能力。
主要研究结果
1. 形态与熱性能
- MF/RGO泡沫展现了良好的孔隙结构和灵活性。独特的三维网络结构能够有效吸附石蜡，支撑液态石蜡渗漏的同时提供形状恢复力。
- MF/RGO/PW复合材料具有较高的潜热值（144.8 J/g），并能够实现2000倍重量负载的石蜡填充比例。
2. 光热存储与转换能力
- RGO提供高效的光子吸收与热量传递途径，使MF/RGO/PW复合相变材料在光照下的升温速率显著快于传统MF/PW材料。
- 在模拟光照下，复合材料的表面温度达到了其相变温度（约 56° C），并产生相变行为以储存和释放热能。
3. 形状记忆和循环性能
- MF/RGO/PW材料可在加热或光照下快速恢复至原始形状，形状恢复时间随着RGO含量的增加而缩短。
- 循环测试表明材料在多次光照和热循环后性能保持稳定，具有出色的耐久性。
4. 实际应用性能
- 研究团队展示了一种利用MF/RGO/PW制成的可安装于建筑屋顶的温控板。通过光致形状固定与恢复，该板能够顺利展开覆盖屋顶，并在白天储存太阳能，夜晚逐步释放热能以维持恒温。
科学与应用价值
该项研究提出了一种解决传统PCMs固有缺陷的新方法：
科学创新：
- 采用三维柔性框架提高了材料的整体稳定性。
- 融合RGO实现光热转换与储能功能的提升。
应用前景：
- 在节能建筑如智能屋顶温控板、电池设备热管理等领域具有广阔的应用潜力。
通过对MF/RGO/PW复合材料的开发，本研究为探索新型PCMs在能源存储及利用中的深入应用铺平了道路，并对未来建筑节能及清洁能源技术的推广具有战略意义。