学术研究报告：柔性相变复合薄膜在太阳能-热电能量存储中的应用研究

一、研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为辽宁大学化学学院的Chunhua Ge与Xiangdong Zhang，第一作者为Xuefeng Li，合作者包括Keke Chen与Hongyu Guan。研究成果发表于2024年10月的《Journal of Energy Storage》（Volume 102, 114177）。

二、学术背景与研究目标
相变材料（Phase Change Materials, PCMs）因在相变过程中可高效吸收/释放潜热，在热能存储领域应用广泛。然而，传统PCMs存在泄漏、刚性、光热/电热转换效率低等缺陷，限制了其在柔性电子、可穿戴设备等场景的应用。本研究旨在通过嵌段共聚法开发一种新型固-固相变材料（IGPCM），并通过引入碳纳米管（CNTs）提升其导热性、光热及电热转换性能，最终获得兼具高韧性、可弯曲性及多能量转换能力的柔性复合薄膜。

三、研究流程与方法
1. IGPCM的合成
- 步骤1：以聚乙二醇（PEG，分子量4000-10000）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）和Sudan Orange G（SO-G）为原料，通过两步反应合成IGPCM。首先，PEG与IPDI在80℃氮气环境下反应3小时；随后加入SO-G继续反应2小时，最终通过真空干燥成膜。
- 关键创新：通过调控PEG分子量（4k-10k），实现相变焓（58.16–99.60 J g⁻¹）的可调性；采用化学交联网络解决PEG泄漏问题。

1. IGPCM-CNT复合材料的制备

   • 将CNTs分散于DMAC溶剂中，超声处理6小时后与IGPCM10k溶液混合，制备含1%、3%、5% CNTs的复合材料（命名为IGPCM10k-CNT-1/3/5）。
     
   • 表征方法：通过红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）验证化学结构与微观形貌；热重分析（TGA）评估热稳定性；差示扫描量热法（DSC）测定相变性能。
     

2. 性能测试

   • 机械性能：万能试验机测试拉伸强度（IGPCM10k达23.8 MPa）、断裂伸长率（>2490%）及韧性（479.1 MJ/m³）。
     
   • 热性能：导热系数测试显示IGPCM10k-CNT-3较纯IGPCM10k提升55.6%（0.3293 W/mK）。
     
   • 能量转换效率：在300 mW/cm²光照下，光热转换效率达84.9%；12 A电流下电热转换效率为82.3%。
     

四、主要研究结果
1. 结构验证：1H NMR与FTIR证实了IGPCM的成功合成，XRD显示CNTs的加入未改变PEG晶体结构，但结晶度因交联网络受限而降低。
2. 热稳定性与形状稳定性：TGA表明IGPCM10k-CNT-3初始分解温度>200℃，远高于相变温度；热台实验显示其在90℃仍无泄漏，表现出固-固相变行为。
3. 多功能性能：
- 柔性：薄膜可扭曲、折叠且承受100次拉伸循环（100%应变）后力学性能稳定。
- 能量存储与转换：DSC显示IGPCM10k相变焓为99.60 J g⁻¹；CNTs的引入显著提升光热/电热响应速度与效率。

五、研究结论与价值
本研究通过分子设计制备了高韧性IGPCM，结合CNTs赋予其高效能量转换能力，解决了传统PCMs的柔性不足与能量利用率低的问题。其科学价值在于：
1. 提出了一种可规模化制备的柔性PCMs合成策略；
2. 实现了太阳能与电能驱动的多模式热管理，为可穿戴设备、电子器件热管理提供了新材料。

六、研究亮点
1. 高韧性设计：IGPCM10k的断裂伸长率超2490%，优于多数文献报道的柔性PCMs。
2. 多能量转换集成：首次在同一材料中实现光热（84.9%）与电热（82.3%）高效转换。
3. 简易工艺：CNTs的物理共混法避免了复杂化学修饰，适合工业化生产。

七、其他价值
该材料在101次热循环后相变焓仅损失7.43 J g⁻¹，表现出优异的长期稳定性，为其实际应用提供了可靠性保障。