[发明专利]一种三维碱式氧化锰纳米棒泡沫复合相变材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维碱式氧化锰纳米棒泡沫复合相变材料，由三维碱式氧化锰纳米棒泡沫和聚乙二醇采用真空浸渍法复合而成，所述三维碱式氧化锰纳米棒泡沫是以四水合氯化锰、氢氧化钠和高锰酸钾为原料，制备成碱式氧化锰纳米棒水凝胶后，经冷冻干燥制得。三维碱式氧化锰纳米棒泡沫的微观形貌为平均直径范围为150nm‑260nm的碱式氧化锰纳米棒堆叠而成的三维孔道结构；聚乙二醇具有分子长链结构，与碱式氧化锰纳米棒发生缠绕，形成稳定的结构。所得复合相变材料的光热转换效率为89%‑98%，相变温度为39‑60℃，相变潜热为122‑163J/g。本发明具有以下优点：1、光热转换效率最高达到98%；2、有效解决相变过程中的泄露问题；3、高相变潜热和热稳定性能；4、成本低廉。

技术领域

本发明涉及相变储能材料领域，具体涉及一种三维碱式氧化锰纳米棒泡沫复合相变材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济和人口的增长，能源供应问题日益突出。一方面，太阳能作为最丰富、最可利用的可再生能源，有望通过开发可靠、高效的能源转换和存储设备和系统，取代化石燃料，减少能源供需的不匹配。另一方面，从太阳辐照度收集和利用热能对于更绿色和可持续的能源未来也具有至关重要的意义。转换、储存和利用太阳能和热能最有希望的方法之一是开发相变材料(PCMs)，它能在相变过程中以熔化或凝固的形式提供高储能密度、吸收和释放恒温热能。

相变材料(Phase change materials，PCMs)是指在相变过程中吸热或放热而具有热能储存和温度调控功能的材料，在太阳能转换、余热收集、电子系统热管理中起着至关重要的作用。相变材料按其工作过程中的相态转变形式可分为固-液、固-气、液-气和固-固四种相变材料。固-气和液-气相变材料吸收热量发生相变，其状态变为气态导致体积迅速膨胀，体积变化产生的体积功使得这类相变材料具有较高的储热密度；但太大的体积变化和产生的相变材料蒸汽对盛装容器和使用条件要求苛刻，故这类相变材料的实际使用和相关研究很少。而固-液相变材料按照化学成分可分为有机相变材料和无机相变材料。无机相变材料由于其结晶水在相变过程有变化，导致相变材料的可逆性变差，且存在过冷现象严重、相分离、腐蚀性强等缺点。有机相变材料，包括聚乙二醇(PEG)、石蜡(或正构烷烃)和脂肪酸，因其储能密度高、使用方便、过冷度低或过冷度小、化学和热稳定性好、自然资源丰富等优点而得到了广泛的研究。然而，目前有机类相变材料由于存在不能从自然界吸收能量的问题，极大地限制了此类相变材料的应用范围；并且易泄露问题也需要解决。

可以从自然界中吸收的能量中，太阳能具有最丰富、最可再生和最环保的特点。但是，太阳能辐射的利用存在间歇和不连续的问题。光热转换是解决太阳能时间和空间不连续问题的有效方法，在复合相变材料中赋予光热转换的效果，可以同时有效解决上述问题。

通过直接选择具备光热转换效应的复合相变材料，可以实现上述效果。Boyuan Mu等人以月桂酸(La)为相变材料，通过酯化反应和还原过程在石墨烯气凝胶(GA)上接枝月桂酸为支撑材料，制备了形态稳定的复合相变材料（Boyuan Mu,Min Li,Z（2019）.Synthesisof nove form-stable composite phase change materials with modified grapheneaerogel for solar energy conversion and storage.Solar Energy Materials）,在光热过程中La-GA的黑色表面可以捕获红外光和可见光，其复合相变材料光热转换效率最高为80.6%。但是，其转换效率不高，在太阳能利用方面存在着较大的浪费。

分析光热转换的基本机制可知，通过光可以激发电子，从而使电子跳跃到激发态；然后，激发的电子通过非辐射弛豫、能量转移或猝灭将能量释放回基态。基于上述原理，光热转换领域的研究成果表明，采用金属氧化物或金属纳米材料作为光热转换材料，可以有效收集太阳能和提高转换效率。