CEJ|热诱导柔性相变水凝胶用于太阳能储热和人体热管理

研究背景

由于太阳能在利用过程中具有不稳定性和间歇性，导致能源的生产不连续、不稳定。因此，太阳能的高效利用和太阳能存储技术的探索成为热门的研究领域。近年来，太阳能储能技术发展迅速，如电储能、热储能(Thermal Energy Storage，TES)、氢储能和机械储能等。其中，TES因其储能效率高、维护成本低、环境友好等优点受到广泛关注。相变材料(PCMs)被认为是TES的理想候选材料。三水醋酸钠(SAT)就是一种典型的相变材料，其具有能量密度高、化学性质稳定、无腐蚀等优点而受到广泛关注，但其也受到过冷和液体泄漏等固有缺陷的限制。目前，水合盐的过冷问题可以通过添加成核剂、施加外力和形成多孔通道来解决，形状不稳定和盐溶液泄漏缺陷可以通过核壳和多孔等支撑结构与相变材料结合的方式处理。但核壳技术在重复使用下，壳体容易发生破裂。多孔复合相变材料合成工艺复杂，稳定性差，储能密度低。因此，寻找一种合成简单、形貌稳定的新型材料迫在眉睫。作为一种最近发展起来的三维多孔网络结构，水凝胶在人体热管理、电子散热和能量存储等领域具有潜在的应用价值。水凝胶本身具有丰富的亲水基团，因此可以很好地与水合盐结合，交联的三维网络可以用来包裹熔融的水合盐。水凝胶的另一个吸引人的特征是其柔韧性。水凝胶是一种固有的柔性材料，在脱水时会表现出硬化行为。通过将水凝胶与相变材料复合，水合盐在高温下以水的形式引入凝胶网络，软化凝胶，在低温下转变为结晶盐，导致凝胶硬化。水凝胶的使用解决了相变材料常见的刚性和泄漏问题，使其成为人体热管理和可穿戴设备应用的理想解决方案。为此，上海第二工业大学的汪玲玲教授团队以三水醋酸钠为相变材料，氧化石墨烯为光热剂，丙烯酰胺和魔芋葡甘聚糖为三维网络骨架，构建了光热相变水凝胶(PCH)。

相关成果以“Thermally induced flexible phase change hydrogels for solar thermal storage and human thermal management”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》(JCR一区，中科院一区TOP，IF=16.744)上。

研究结论

本文基于丙烯酰胺和魔芋葡甘聚糖设计了一种具有热诱导柔性的相变水凝胶。该水凝胶的亲水网络具有优异的保水性能和盐相容性，有效地解决了相分离和水合盐泄漏的挑战。同时，水凝胶的三维网络提供了大量的成核位点，可以在不添加成核剂的情况下将过冷度抑制到1.2℃。此外，氧化石墨烯的加入使得水凝胶具有优异的光吸收性。在一个太阳下的光热转换效率为89.7%，储能密度可达179.2 J/g。以一家四口为例，性价比高的相变水凝胶生产热水的投资回收期为3.05年。基于PCH独特的力学性能，加热后的PCH能够紧紧地粘附在人体上，释放近乎恒定的温度热约5 min。热诱导柔性相变水凝胶为解决水合盐固有的局限性提供了一种有前途的解决方案，并且适用于多样化和复杂的应用。

研究数据

图1. (a) SAT KPAM的制备示意图；(b) PAM形成化学交联网络，并穿插线性KGM链的半交错网络示意图；(c) APS和热聚合引发的化学反应。

图2. (a~c) SAT KPAM的SEM照片；(d) SAT KPAM的EDS mapping照片；(e) SAT和4 % ~ 16% KPAM的XRD图谱；(f) SAT和4%~16% KPAM的FT-IR图谱。

图3. (a) SAT和4% ~ 16% KPAM的渗漏性能测试；(b) 4%~16 % KPAM的TGA和DTG曲线。

图4. (a)纯SAT和不同AM含量的相变水凝胶(4wt%~16wt%)的DSC曲线；(b)纯SAT和不同KGM含量的相变水凝胶(0.025 g~0.225 g)的DSC曲线；(c) PCH的潜热；(d) PCH的熔融温度；(e) PCH在50和100次升降温循环后的DSC曲线；(f) 50次和100次升降温循环后PCH的潜热。

图5. (a)不同AM含量的相变水凝胶(4wt%~16wt%)的光吸收性能；(b)不同KGM含量的SAT和相变水凝胶(0.025 g~0.225 g)在同一太阳下的温度-时间曲线；(c) PCH的光热转换效率；(d)光热转换效率和潜热与相关工作的比较；(e)红外相机拍摄的SAT和16% KPAM温度。

图6. (a)生活热水生产PCH示意图；(b)不同光强下KPAM的温度-时间曲线。

图7. (a)负载PCH的皮肤红外热像图；(b)有无KPAM的皮肤温度变化曲线。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142682

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