本文介绍了一项关于微胶囊相变材料（Microencapsulated Phase Change Material, MPCM）悬浮液及其通过MXene增强导热性能的研究，旨在为热能存储提供高效的传热流体。该研究由Weizhun Jin、Qinghua Huang、Haimeng Huang等作者共同完成，发表在《Journal of Energy Storage》2023年第73卷上。研究团队来自河海大学力学与材料学院。

研究背景

随着城市化进程的加快，能源短缺问题日益突出，可再生能源尤其是热能存储技术受到了广泛关注。传统的传热流体在热交换过程中效率较低，难以满足日益增长的热传递需求。为了提高传热流体的热传递能力和效率，研究人员提出了潜热功能流体（Latent Functionally Thermal Fluid）的概念。MPCM悬浮液作为一种潜热功能流体，通过将MPCM颗粒分散在基础液体中，能够在相变过程中吸收或释放大量潜热，显著提高热存储能力并减少热交换设备的尺寸和传输功耗。

然而，MPCM悬浮液在实际应用中存在分散稳定性差、粘度高、导热性能低等问题，限制了其广泛应用。为了解决这些问题，研究人员尝试通过添加纳米颗粒来提高悬浮液的导热性能，但大多数纳米颗粒难以均匀分散且会增加悬浮液的粘度。MXene作为一种新型二维材料，具有良好的亲水性、高导热性和自润滑性，被认为是改善MPCM悬浮液性能的理想材料。

研究流程

研究分为以下几个步骤： 1. MXene的制备：通过氢氟酸（HF）蚀刻Ti3AlC2材料，制备出单层Ti3C2Tx MXene粉末。 2. MPCM悬浮液的制备：通过调整异丙醇（IPA）与水的质量比，制备出具有良好分散稳定性的MPCM悬浮液。实验确定了IPA与水的质量比为42:58时，悬浮液的分散稳定性最佳。 3. MPCM/MXene悬浮液的制备：在MPCM悬浮液中添加不同质量分数（0.01 wt%至0.5 wt%）的MXene，制备出MPCM/MXene悬浮液。 4. 材料表征：通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对MXene和MPCM颗粒的形貌和结构进行表征。 5. 热物性测试：使用差示扫描量热仪（DSC）测试MPCM悬浮液和MPCM/MXene悬浮液的相变行为，使用导热仪和粘度计测试其导热性能和粘度。 6. 热性能测试：通过温度检测系统评估悬浮液的热性能，分析其在不同温度下的热传递效率。

主要结果

1. 分散稳定性：IPA与水的质量比为42:58时，MPCM悬浮液具有良好的分散稳定性。添加MXene后，悬浮液的分散稳定性未受到显著影响。
2. 相变行为：MPCM悬浮液的潜热随MPCM含量的增加而增加，MXene对潜热的影响较小。MPCM悬浮液的相变温度随MXene的增加略有下降。
3. 导热性能：MPCM悬浮液的导热性能随MPCM含量的增加而逐渐降低，而MXene的添加显著提高了悬浮液的导热性能。当MXene含量为0.5 wt%时，悬浮液的导热性能提高了29.16%。
4. 粘度：MPCM悬浮液的粘度随MPCM含量的增加而显著增加，而MXene的添加在低含量（≤0.3 wt%）时能够降低悬浮液的粘度。当MXene含量为0.1 wt%时，悬浮液的粘度降低了15.65%。
5. 热性能：MXene的添加在加热初期显著提高了悬浮液的温度，而在加热后期，适量的MXene能够通过降低粘度提高热传递效率。

结论

该研究成功制备了具有良好分散稳定性、低粘度、高导热性和高潜热的MPCM/MXene悬浮液，为热能存储提供了一种高效的传热流体。MXene的添加显著提高了悬浮液的导热性能，并在低含量时降低了粘度，为未来开发高效的热能存储功能流体提供了新的思路。

研究亮点

1. 创新性材料：首次将MXene应用于MPCM悬浮液中，显著提高了悬浮液的导热性能并降低了粘度。
2. 高效热能存储：MPCM/MXene悬浮液具有高潜热和良好的热传递效率，适用于热能存储系统。
3. 应用前景：该研究为开发高效传热流体提供了新的方向，具有广泛的应用前景，尤其是在工业生产和日常生活中的热能存储领域。

研究意义

该研究不仅为MPCM悬浮液的性能优化提供了新的解决方案，还为MXene在热能存储领域的应用开辟了新的途径。通过提高传热流体的导热性能和降低粘度，该研究有望推动热能存储技术的进一步发展，提高能源利用效率，减少能源浪费。