来源 | Composites Science and Technology

链接 | https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111228

01

背景介绍

太阳能作为一种清洁、绿色且可再生的能源，已在光伏、光催化、水净化及其他多个领域中得到广泛应用。然而，太阳辐射本身存在固有的间歇性和不稳定性，这为其大规模、连续性的应用带来了显著挑战。利用相变材料（PCMs）将太阳能以热能形式储存，被认为是一种极具前景的解决方案。然而，单一的PCMs自身存在光吸收能力弱、光响应能力差等问题，严重限制了其实际应用效果。为了有效克服这些瓶颈，将高效光热材料与PCMs进行功能性复合，构建具有优异光热转换与储能性能的复合材料，已成为该领域的重要研究方向。

02

成果掠影

近日，山东理工大学杜庆洋教授、董诚副教授联合苏州科技大学李昂副教授提出了一种动态调控的方法。该方法通过在分层多孔碳中嵌入Ni@石墨化碳（Ni@C）光热协同增强位点，显著增强了太阳能的存储和利用。锚定在分层碳框架内的Ni@C活性位点可以快速捕获光子。Ni0纳米颗粒（NPs）与石墨化碳之间的耦合增强了Ni0 NPs周围的电场分布，显著提高了光热性能。实验结果表明，载体材料（Ni@C/C）在整个太阳光谱范围内展现出强宽带吸收特性。当十八醇（ODA）分子被封装到Ni@C/C中后，其动能和扩散系数达到峰值，这使得ODA分子可以在Ni@C/C的孔隙中自由迁移，同时促进扩散并加速结晶过程。在100 mW/cm²的模拟光照强度下，ODA/Ni@C/C复合相变材料实现了高达94.5%的光热转换效率。值得注意的是，ODA/Ni@C/C复合相变材料能够对环境温度变化表现出快速响应，并在较宽的温度范围内保持长时间热量释放，在热疗口罩和锂离子电池热管理系统中显示出实际应用的巨大潜力。这项工作为纳米碳基复合相变材料的靶向设计和制备提供了理论见解和实践指导。研究成果以“Ni@graphite carbon synergistic reinforcement sites penetrated hierarchical porous carbon boosting PCMs encapsulation and solar-thermal energy storage”为题发表在《Composites Science and Technology》期刊。

03

图文导读

图1. (a) Ni@C/C的制备过程示意图; (b-c) MOF(Ni,Zn)-4 (b)和Ni@C/C-4 (c)的SEM图像; (d) Ni@C/C-4的EDS图像; (e) Ni@C/C-4的TEM图像和Ni0 NPs的粒径分布; (f-g) Ni@C/C-4的HRTEM图像。

图2. (a)不同温度下碳化MOF(Ni,Zn)-4 1 min 后的XRD图谱; (b-e) PC和Ni@C/Cs的XRD图谱(b), 拉曼光谱(c), 拉曼特征峰强比(d), XPS光谱(e); (f-i) C1s (f), N1s (g), N2吸附-解吸等温线(h), 孔径分布(i)。

图3. (a-c)不同复合相变材料的DSC熔融(a), 凝固(b)曲线以及相应的焓值和结晶度(c); (d)不同复合相变材料的结构模型; (e-g)不同复合相变材料的回转半径(e),动能曲线(f)和MSD曲线(g); (h-j) ODA/Ni@C/C-4的Fr-t图(h), Fr-T图(i)和InΦ-Int曲线(j); (k) ODA/Ni@C/C-4的非等温三维热流图。

图4. (a)紫外-可见-近红外吸收光谱; (b)模拟太阳照射下Ni0 NPs周围的局部电场分布; (c)声子和电子传输路径以及光热转换机理示意图; (d)光热测试示意图; (e-f) 在100 mW/cm2的模拟太阳辐射下，ODA、ODA/PC和ODA/Ni@C/C-4的时间-温度演化曲线(e)以及相应的饱和温度和光热储能效率(f)。

图5. (a)基于ODA/Ni@C/C-4的人体和电子设备的热管理示意图; (b)基于ODA/Ni@C/C-4的热疗口罩示意图; (c-d) 热疗口罩和普通口罩的时间-温度演化曲线(c)和热释放时间(d); (e)锂离子电池底部的时间-温度演化曲线; (f)在100 mW/cm2的模拟太阳辐射下，覆盖PCF的电池的红外图片。