三维微纳米分级孔异质相变复合体的构筑及其功能研究

Phase change material (PCM) is the key factor for the development of energy storage technology, which plays a crucial role in exploring new energy and improving energy utilization. This project aims to research three-dimensional micro-nano hierarchically porous heterogeneous PCM composite and solve the functional singularity issue. Combining the size effect of micro-nano materials and pore characteristics of porous materials, novel strategies of multi-dimensional synergy and multi-functional integration of heterogeneous PCM composite are proposed. The thermal storage, thermal transfer and thermotherapy functions are synergistically obtained by the precise regulation of the fine structures. The support material will be synthesized through directional self-assemble and covalent-bonding recognition, followed by the incorporation of pure PCM. The novel method is explored for functional assembly of heterogeneous PCM composite. The coupling mechanism of multi-functional heterogeneous PCM composite is revealed, considering the micro-nano size effect in porous space and anisotropic/heterogeneous interface effect. The microscale phase change thermal theory is enriched and developed. An effective way is explored to develop heterogeneous PCM composite from the repeated trial to science oriented design.

相变材料是储能技术发展和应用的关键因素，在推进新能源开发和提高能源利用率中起着至关重要的作用。本项目以三维微纳米分级孔异质相变复合体为研究对象，以解决异质相变复合体功能的单一性问题为切入点。综合微纳材料的尺寸效应和多孔材料的孔道特性，提出异质相变复合体的多元协同性和多功能集成新策略，通过材料微细结构的精确调控实现异质相变复合体的蓄热功能、传热功能与热疗功能的协同耦合。拟通过定向组装、共价键分子识别等手段完成多孔载体的制备及其与相变材料的复合；发展以功能定制为导向的新型相变复合体功能组装的新方法；描述微纳米孔隙空间尺度效应和骨架-相变材料界面效应对异质相变复合体多功能耦合的作用机制，丰富和发展微尺度相变热理论，开拓异质相变复合体从反复试制向科学定向设计发展的有效途径。

作为能量转换和利用的一种重要方式，先进的相变储能材料在促进新能源开发和提高能源利用率中起着至关重要作用。本项目以三维微纳米分级孔相变复合体为研究对象，从相变复合体的多元协同性和多功能集成角度出发，分别以碳纳米管（CNTs）和金属有机骨架（MOFs）为基本组成单元，利用盐模板法、定向冷冻-冷冻干燥法、水热合成法、高温煅烧法等构筑了系列结构稳定和力学性能优异的三维微纳米分级孔载体材料，实现了三维微纳米多孔材料在不同尺度上的分级结构、孔道表面性质和孔道微环境的有效调控。选择有机小分子、聚合物等不同相变材料，通过真空浸润法进行封装，制备了兼具高存储密度（＞120J/g）、低热扩散率（＜0.4 W/(m·K)）、强固载能力与高循环稳定性（＞100圈）的相变复合体，实现了蓄热、传热与热疗功能的协同耦合，对过敏性鼻炎患者具有良好的热疗效果。本项目还额外制备了具有高效光热转换（＞90%）、电热转换（＞80%）、磁热转换功能的相变复合体，扩展了多种清洁能源的高效转化与存储利用，具有一定的实际应用价值。此外，本项目明晰了不同相变材料与纳米分级孔载体间的相互作用关系，在原子分子水平上揭示了纳米分级孔载体与相变材料的匹配规律，并实现了相变材料固载量的最大化；提炼了系列相变复合体微观结构参数和宏观热物理性质的关联规律，发展了以性能定制为导向的新型相变复合体功能组装的构筑方法，丰富和发展了微尺度相变热理论和耦合机制，为构筑新型的高性能-多功能异质相变复合体提供了理论和实验依据。.项目执行期间，项目负责人以第一作者/通讯作者在Chemical Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Matter、iScience、ACS Nano、Carbon Energy、Energy Storage Materials、Nano Energy、Advanced Science等高水平期刊发表论文共计30篇，其中22篇中科院1区SCI论文，5篇中科院2区SCI论文，3篇新期刊论文；2篇封面论文，3篇高被引论文。发表的30篇论文中第一标注20篇，第二标注10篇。此外，围绕材料制备和应用方面的新构想申请国家发明专利5项。