相变储能微管自限域结构构筑与性能研究

Thermal energy storage technology using phase change material (PCM) has been found to be an effective solution for energy crisis and environmental problem. There are many problems of existed PCM such as low energy storage density, poor thermal conductivity and low long-term reliability. To overcome these disadvantages, a novel microtuble phase change material (MTPCM) with high energy density, enhanced thermal conductivity and long-term reliability is prepared using kapok hollow microtuble as loading material, and fatty acid eutectic dispersed with high thermal conductivity nanoparticles as PCM via a green self-templating confinement capping method. In order to explore the key influence factors of preparation of MTPCM, size effect, surface effect, interface effect are studied during the combination of PCM and microtuble. The nucleation and crystallization mechanism, thermal physical of MTPCM and the influence mechanism of nuclear nanoparticle are verified from the aspects of materials science, thermodynamics, heat transfer and mass transfer theory. Based on the above results, research on thermal storage properties, heat transfer mechanism, and the structure and properties evolution relationship of MTPCM is carried out to pave a way for design and development of high performance PCM.

相变储能是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，目前相变储能材料普遍存在储能密度不高、储放热功率低和服役过程中易泄露等问题。本项目提出以木棉中空微管作为负载材料，与经过高热导率纳米粒子稳定分散的多元复配型脂肪酸共晶复合，构筑出自模板限域封端体系，以期研究出具有高储能密度、高储放热功率、工艺简单可靠、服役性能稳定、绿色环保的相变储能微管；深入研究相变材料与中空微管的尺寸效应、表面效应、界面效应，探索相变储能微管自模板限域封端的制备工艺及其关键影响因素；结合材料学、热力学、传热传质学等理论，阐明限域空间下以纳米粒子为核心的共晶成核结晶机理，以及相变储能微管各种热物理过程的影响机制与内在规律；在此基础上，开展相变储能微管的储放热、传热机理以及长周期服役过程中结构与性能演变关系的研究工作，为高性能相变储能材料的设计和开发提供新的思路和理论基础。

本项目围绕“绿色环保、高储能密度、高储放热功率、多能量转化储热”复合相变材料这一核心目标，分别以绿色环保的一维结构PVA纳米纤维、埃洛石纳米管、木棉中空微管作为支撑材料，通过不同实验方法在其上负载PCM，并在其上组装导热纳米粒子，搭建有效的热传输通道，调控芯材与的孔道界面作用，从而改善芯材分子在限域空间内的结晶能力，进而实现热能的有效存储和释放。在此基础上，以固载量最高的中空木棉为基材，通过碳化工艺并在其微管上组装磁性功能单位，实现制备出一种新型磁性碳气凝胶三维结构支撑材料，实现对PCM芯材的高效负载。通过上述设计构筑出一种新型兼具热、光、磁能储存兼容的多功能储能平台，实现复合相变材料绿色环保、高储能密度、高热能释放效率的优势兼容，为高性能复合相变储能材料的设计和开发提供新的思路和理论基础。. 项目成果已发表学术论文17篇，包括Energy Storage Materials, Journal of Materials Chemistry A、Energy、Renewable Energy、Solar Energy Materials & Solar Cells、Journal of Cleaner Production、ACS Applied Materials & Interfaces等，其中1篇论文入选ESI高被引论文，研究成果被国际期刊（Applied Energy、Energy、Renewable & Sustainable Energy Reviews等）广泛引用；申请国家发明专利3项，授权国家发明专利1项；获得2019年湖北省技术发明奖二等奖、2020年中国发明协会创新奖一等奖；已培养毕业5名硕士和1名博士研究生；参加了2019年中国工程物理学会传热传质学术会议等会议并交流研究内容。项目的实施和完成丰富了工程热物理学科的能质传递和转换理论，并为高性能相变储能材料的设计和开发提供新的思路和理论基础。