本文介绍了一项关于微胶囊化十七烷（Heptadecane, HD）与碳酸钙（CaCO₃）复合材料作为热导增强型相变材料（Phase Change Material, PCM）用于热能储存（Thermal Energy Storage, TES）的研究。该研究由Ahmet Sarı、Tawfik A. Saleh、Gökhan Hekimoğlu、V.V. Tyagi和R.K. Sharma等作者共同完成，并于2021年发表在《Journal of Molecular Liquids》期刊上。

研究背景与目的

随着可再生能源（如太阳能）的广泛应用，热能储存技术（TES）在提高能源利用效率和温度调节功能方面变得越来越重要。相变材料（PCM）因其在相变过程中能够储存和释放大量潜热而被广泛应用于热能储存系统。然而，传统的PCM（如十七烷）在相变过程中存在泄漏问题，且其热导率较低，限制了其在实际应用中的使用。为了解决这些问题，研究人员提出了微胶囊化技术，即将PCM封装在无机或有机-无机杂化壳材料中，以防止泄漏并提高热导率。

本研究的主要目的是通过自组装方法将十七烷封装在碳酸钙壳中，制备出一种新型的微胶囊化PCM（HD@CaCO₃），并评估其在热能储存应用中的性能。研究重点关注以下几个方面：（1）CaCO₃壳含量对微胶囊形态、形状稳定性和TES性能的影响；（2）1000次热循环操作对微胶囊化学结构稳定性和TES性能的影响；（3）增强的热导率对微胶囊加热和冷却时间的影响。

研究方法与实验流程

研究首先通过自组装方法制备了不同质量比的HD@CaCO₃微胶囊。具体步骤如下： 1. 材料准备：使用十七烷（HD）作为PCM核心，氯化钙（CaCl₂）和碳酸钠（Na₂CO₃）作为CaCO₃壳的前驱体，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和十二烷基硫酸钠（SDS）作为表面活性剂。 2. 微胶囊制备：在油水乳液中，将HD与表面活性剂混合，通过滴加CaCl₂和Na₂CO₃溶液形成稳定的乳液，最终通过过滤、洗涤和干燥得到HD@CaCO₃微胶囊。 3. 微胶囊表征：通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）等技术对微胶囊的形态、化学结构、结晶结构和热性能进行了详细表征。 4. 热循环测试：对微胶囊进行了1000次热循环测试，评估其化学稳定性和TES性能。 5. 热导率测试：测量了纯HD和HD@CaCO₃微胶囊的热导率，并比较了它们的加热和冷却时间。

研究结果

1. 泄漏行为：泄漏测试表明，HD@CaCO₃微胶囊在HD含量不超过70 wt%时表现出良好的形状稳定性，超过70 wt%时则出现明显的泄漏。
2. 微观结构：SEM图像显示，所有微胶囊均具有一致的球形形态，粒径约为3-5 μm。CaCO₃壳为微胶囊提供了形状稳定性，防止了液态HD的泄漏。
3. 结晶结构：XRD分析证实，HD和CaCO₃的结晶结构在微胶囊化过程中未受到影响。
4. 化学结构：FTIR光谱分析表明，HD核心和CaCO₃壳在微胶囊中有效共存。
5. TES性能：DSC测试显示，HD@CaCO₃微胶囊的相变温度约为16°C，潜热储存能力在66.46至101.1 J/g之间，具体取决于HD的封装量。
6. 热循环稳定性：经过1000次热循环后，微胶囊的化学结构和TES性能保持稳定，潜热值仅减少了3.6%至4.1%。
7. 热导率：所有HD@CaCO₃微胶囊的热导率均显著高于纯HD，最高达到1.231 W/m·K。增强的热导率显著缩短了微胶囊的加热和冷却时间。

结论与意义

本研究成功制备了HD@CaCO₃微胶囊，并通过多种表征手段验证了其优异的TES性能。微胶囊具有良好的形状稳定性、化学稳定性和热循环稳定性，且热导率显著提高。这些特性使得HD@CaCO₃微胶囊在建筑空调、纺织品热管理和食品保温等TES应用中具有广阔的应用前景。此外，研究还提出了一种低成本、环保且热稳定的PCM制备方法，为未来的热能储存技术提供了新的思路。

研究亮点

1. 创新性：首次通过自组装方法将HD封装在CaCO₃壳中，制备出具有高潜热储存能力和增强热导率的微胶囊。
2. 应用价值：微胶囊在建筑、纺织品和食品等领域的TES应用中表现出优异的性能。
3. 低成本与环保：使用的CaCO₃壳前驱体成本低廉，且制备过程环保。

未来研究方向

尽管本研究取得了显著成果，但仍需进一步研究微胶囊的长期热循环性能（至少10,000次循环）、机械性能以及与常见建筑材料的兼容性。