本研究由来自多个科研机构的联合团队完成。主要作者包括Reji Kumar Rajamony（第一作者，所属单位为马来西亚国能大学（Universiti Tenaga Nasional）可持续能源研究所和印度Lovely Professional大学研发部）和A.K. Pandey（共同通讯作者，所属单位为马来西亚双威大学（Sunway University）纳米材料与能源技术研究中心和印度Uttaranchal大学能源与生态可持续发展卓越中心）。研究团队的其他成员还来自澳大利亚中央昆士兰大学、伊拉克巴士拉Almaaqal大学、马来西亚彭亨大学、巴基斯坦Quaid-e-Awam工程科学科技大学、伊拉克巴格达科技大学等机构。该项研究成果以《用于热能储存应用的二元碳基纳米增强无机相变材料的性能实验研究》为题，于2024年3月19日在线发表在能源存储领域的专业期刊 Journal of Energy Storage（第86卷，文章号111373）上。

学术背景： 本研究属于热能储存（Thermal Energy Storage, TES）与材料科学交叉领域，具体聚焦于相变材料（Phase Change Materials, PCMs）的性能强化研究。全球能源格局正从化石燃料向可再生能源转型，太阳能作为清洁能源备受关注。然而，太阳能的间歇性和波动性是其大规模应用的主要障碍。潜热热能储存（Latent Heat Thermal Energy Storage, LHTES）技术，特别是利用相变材料的储热系统，因其高能量密度和近乎等温的工作特性，成为提高太阳能利用率、平抑负荷波动的关键技术。其中，无机相变材料（如盐水合物）因其经济性、高储能密度和不易燃等优点，在太阳能热应用中更具潜力。然而，相变材料普遍存在热导率较低的固有缺陷，这严重限制了其储/放热速率，进而影响整个热能储存系统的效率。为此，研究者们尝试通过添加纳米材料（如碳纳米管、石墨烯等）来增强PCM的热导率和光吸收性能。尽管已有大量研究关注单一纳米颗粒对PCM性能的提升，但对于在45–55°C温区应用、以盐水合物为基材、并使用二元碳基纳米颗粒（石墨烯和多壁碳纳米管）进行协同增强的研究尚属空白。本研究的核心目标正是填补这一空白：开发一种新型的、由石墨烯和多壁碳纳米管二元纳米颗粒增强的盐水合物相变材料（NEIPCM），并系统评估其热物理性能、光学性能及长期热可靠性，以验证其在中温太阳能热能储存应用中的适用性。

详细工作流程： 本研究遵循了材料制备、表征、性能测试与数值模拟相结合的完整研究路径。 第一步：材料准备与纳米复合材料制备。 研究选用熔点为50°C、潜热为100 J/g的商业化盐水合物PCM作为基体材料。增强相为石墨烯（片层厚度8-60 nm）和多壁碳纳米管（直径10-20 nm，长度30 μm）。采用两步法制备纳米复合材料。首先，制备单一纳米颗粒增强PCM：将盐水合物加热至熔点以上熔化，按不同质量分数（0.1%, 0.3%, 0.5%, 0.7%, 1.0%）加入石墨烯纳米片，并添加等比例的十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为表面活性剂以提高分散稳定性。混合物依次经过30分钟的浴式超声和1小时的探头超声处理，以确保纳米颗粒均匀分散，随后冷却至室温固化，得到SahGr系列样品。其次，制备二元纳米颗粒增强PCM：在确定了单一增强的最佳石墨烯含量（0.7 wt%）后，以其为基体，再次熔化并加入不同质量分数（0.05%, 0.07%, 0.1%, 0.3%）的多壁碳纳米管（MWCNTs），采用相同的超声分散工艺，得到SahGrM系列二元纳米复合材料。 第二步：材料表征与性能测试。 研究使用了多种先进的仪器对制备的材料进行全面表征，这些方法和仪器均属该领域标准或前沿设备，研究本身未涉及自创设备或算法。具体包括：1. 形貌与元素分析：使用透射电子显微镜（TEM）观察石墨烯和MWCNTs的原始形貌；使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察纯PCM及复合材料的微观结构，并通过能量色散X射线光谱（EDX）分析元素组成。2. 化学稳定性：使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）在400-4000 cm⁻¹波数范围内分析样品官能团，判断制备过程中是否发生化学反应。3. 光学性能：使用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）在200-1700 nm波长范围内测量样品的光谱透射率和吸收率，并利用美国国家可再生能源实验室（NREL）的太阳光谱数据计算太阳光透射百分比。4. 热稳定性：使用热重分析仪（TGA）在25-650°C温度范围内（升温速率10°C/min，氮气氛围）测试样品的热分解行为。5. 相变特性：使用差示扫描量热仪（DSC）在25-70°C温度范围内（升温/降温速率5°C/min，氮气氛围）测量样品的熔点、潜热和过冷度。6. 热导率：使用基于瞬态热线法的热性能分析仪（Tempos, SH-3）在室温下测量样品的导热系数。7. 热可靠性：使用定制化的热循环仪对优选出的纯PCM、最佳单一增强（SahGr-0.7）和最佳二元增强（SahGrM-0.07）样品进行300次熔融-凝固循环测试（30°C ↔ 70°C）。循环后，再次使用FTIR、TGA和DSC评估样品化学稳定性、热稳定性和相变特性的变化。 第三步：数值传热分析。 为了从理论上验证高导热复合材料对热能储存过程的影响，研究团队进行了数值模拟。他们建立了一个二维方腔模型，顶部为施加恒定热源（设定为60, 70, 80, 90°C）的开放边界，其余三面绝热。初始温度设为25°C。模拟比较了纯盐水合物PCM（导热系数0.46 W/mK）和最优二元纳米复合材料（SahGrM-0.07，导热系数1.2 W/mK）在不同热源温度下的温度场分布和热渗透深度。模拟基于焓-孔隙率法，求解了包含纳米颗粒效应的动量方程和能量方程，并考虑了顶部自由表面的热毛细（马兰戈尼）效应。该数值分析旨在补充说明实验观察到的高热导率在实际储热过程中的优势。

主要结果： 研究获得了系统且具有说服力的实验结果。 在形貌与化学稳定性方面，TEM证实了石墨烯的片状结构和MWCNTs的管状结构符合规格。FESEM和EDX结果显示，纳米颗粒在PCM基体中实现了均匀分散，且碳元素信号清晰，证实了纳米颗粒的成功掺入。FTIR谱图显示，所有纳米复合材料的特征峰与纯盐水合物基本一致，未出现新峰或峰位显著偏移，表明纳米颗粒的加入是物理共混，未引发不利的化学反应，材料化学稳定性良好。 光学性能测试结果显著：纯盐水合物透明度高，太阳光透射率高达63.2%。添加纳米颗粒后，由于其深色特性，光吸收大幅增强，透射率急剧下降。对于二元复合材料SahGrM-0.07，其太阳光透射率降至仅11.03%，这意味着超过80%的太阳辐射被吸收，显著提升了材料的光热转换潜力，非常适合于直接吸收式太阳能集热/储热系统。 热稳定性（TGA） 显示，纳米复合材料的最终分解温度相较于纯PCM有所提高。例如，最优二元复合材料SahGrM-0.07的分解温度从纯PCM的456°C提升至474°C，表明纳米颗粒的加入形成了热屏障，提高了材料的热稳定性。 相变特性（DSC） 表明，纳米颗粒的加入对潜热值影响较小。纯PCM潜热为119.9 kJ/kg，而最优二元复合材料SahGrM-0.07的潜热为115.5 kJ/kg，仅下降了约3.66%。这种轻微的下降归因于固体纳米颗粒的加入引入了杂质，导致熵增。同时，纳米颗粒的加入还轻微降低了材料的过冷度（从21°C降至19°C），这有利于相变过程在更接近平衡温度下发生，提高储/放热效率。 本研究最核心的成果体现在热导率的显著提升上。纯盐水合物的热导率为0.46 W/mK。添加0.7 wt%石墨烯（SahGr-0.7）后，热导率提升至0.97 W/mK，增强了110.86%。在此基础上，进一步添加0.07 wt%的MWCNTs形成二元复合材料（SahGrM-0.07），热导率达到了惊人的1.2 W/mK，比纯PCM提升了160%。这一巨大提升归因于石墨烯（二维片状）和MWCNTs（一维管状）协同形成了更为完善的三维导热网络，为声子（热载体）传输提供了高效通路。 热可靠性测试（300次循环）证实了优选材料的长期稳定性。循环后的FTIR谱图未发生明显变化，表明化学结构稳定。TGA显示分解温度保持稳定甚至略有提高。DSC测得的潜热值和相变温度仅有微小变化，且过冷度进一步降低至15°C。这些结果证明了所开发的二元纳米复合材料具备优秀的循环稳定性，满足长期应用需求。 数值模拟结果直观地支持了实验结论：在相同热源条件下，具有更高热导率的SahGrM-0.07复合材料层，其热渗透深度和温度均匀性明显优于纯PCM层，表明其能够更快地储存和传递热量，从而提高整个热能储存系统的功率密度和响应速度。

结论与价值： 本研究成功制备并系统研究了一系列二元碳基纳米颗粒增强的盐水合物相变材料。主要结论是：通过协同使用石墨烯和MWCNTs，可以在对潜热影响极小的情况下，将PCM的热导率提升160%（至1.2 W/mK），同时将太阳光透射率降低超过80%，大幅提升光吸收能力，并且材料在300次热循环后仍能保持优异的化学、热及相变稳定性。这些卓越的综合性能使SahGrM-0.07复合材料成为一种极具前景的中温（45-55°C）太阳能热能储存介质。 本研究的科学价值在于：1）填补了二元碳基纳米颗粒增强特定温区无机PCM的研究空白；2）深入揭示了石墨烯与MWCNTs协同增强热导率和光学性能的机理（三维导热网络形成与深色纳米颗粒的光吸收）；3）提供了从材料制备、全面表征到可靠性验证的完整研究范式和数据支持。其应用价值巨大，所开发的材料可直接应用于太阳能光伏光热（PV-T）系统、电子器件冷却、太阳能海水淡化、电池热管理以及建筑节能等领域，为实现高效、紧凑、可靠的太阳能热利用系统提供了关键材料解决方案。此外，本研究也与联合国可持续发展目标（SDG）第7项（经济适用的清洁能源）相契合。

研究亮点： 1）显著的性能提升：160%的热导率增强和超过80%的透光率降低是极为突出的实验结果，远超许多使用单一纳米颗粒增强的研究。2）创新的材料设计：首次系统研究了石墨烯/MWCNTs二元碳纳米体系对盐水合物PCM的协同增强效应，选题具有新颖性。3）系统全面的评估：研究不仅关注核心的热物性，还对光学性能、化学/热稳定性以及长达300次循环的长期可靠性进行了全面评估，使得结论非常坚实，对实际应用指导性强。4）多手段结合：结合了详尽的实验表征与数值模拟，从微观机理到宏观传热性能进行了多尺度论证。

其他有价值内容： 研究在讨论部分还与其他已报道的研究进行了对比（见图12），指出本工作中二元纳米复合材料的热导率提升幅度优于许多使用单一纳米颗粒或其他二元体系的研究，进一步凸显了本工作的优势。此外，研究简要探讨了表面活性剂（SDBS）对改善纳米颗粒分散稳定性的重要作用，以及纳米颗粒作为成核剂降低过冷度的机理，这些细节对于理解和复现该工作具有重要意义。