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苏州纳米所在3D打印豆荚结构光热相变储能微格上获进展

2021.8.03

　　将太阳光转化成热能并进行有效存储是太阳能利用的重要方式，相变材料（PCM）光热能量捕获和储存因其具有高能量储存和释放能力、相变时温度变化小、可重复利用、长期稳定等特点，在太阳能的高效转换与开发方面有巨大应用潜力。PCM的有效和可靠封装是实现高性能光热能量捕获和储存的关键。然而，传统PCM封装技术在相变时容易发生泄漏，并且难以实现规模化制备，限制了其光热能量利用。因此，探索发展合适的PCM封装技术，实现光热PCM装置的高效能量存储/释放、融化PCM抗渗漏和易于规模化制备，仍然是一个巨大挑战。

　　近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张永毅研究员、李清文研究员，河南理工大学杨政鹏教授受天然豆类结构启发，提出了基于挤出的核-鞘3D打印策略构建豆荚结构正十八烷(OD)/石墨烯(BOG)相变微格的方法。相变微格具有规则的多孔结构，OD“豆”被独立有效封装在由紧密堆叠和排列的石墨烯薄片构成的高度互联石墨烯网络包裹层中。独特的结构特征有利于光扩散进入相变微格内部、快速光热能量捕获和传递，因而具有较高的潜热、光热能量储存容量和效率。同时，相变微格具有优异的热可靠性和稳定性，即使在多次循环和部分破损的BOG中也不会发生泄漏和形状变化。此工作显示了3D打印技术在PCM封装方面的可行性，为构建基于PCM的光热能量储存装置提供了新策略。

图1 相变储能微格的仿生结构设计

图2 BOG相变微格的3D打印及墨水流变特性

图3 3D打印豆荚状相变结构的形貌特征

图4 3D打印BOG相变结构的红外图像及热导性能

图5 BOG相变微格的光学和热特性

图6 BOG相变微格的热稳定性

　　相关成果以“Bean-Pod-Inspired 3D-Printed Phase Change Microlattices for Solar-Thermal Energy Harvesting and Storage”为题发表在国际期刊Small上。该研究获得国家重点研发计划（2016YFA0203301）、国家自然科学基金（51862035，52062048）等项目的资助，谨此感谢。河南理工大学杨政鹏和贾胜敏为论文共同一作，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张永毅研究员和李清文研究员为论文通讯作者。此外，团队通过控制湿法3D打印环境、温度、墨水种类、针头结构和运动轨迹等条件拓展出多种打印成型方法，实现了多股、并股、多层复合纤维及复杂网格结构的直接打印成型，通过纤维干燥及还原过程中的微观结构调控及不同打印材料的加入，使纤维具有优异的力电性能及不同的功能特性，从而验证其在储能、传感等领域的应用，相关工作发表在CEJ、JEC、Carbon等期刊上（Chemical Engineering Journal, 2021, 423, 130304； Chemical Engineering Journal, 2020, 400, 125835； Journal of Energy Chemistry, 2020, 51, 434-441； Carbon, 2018, 132, 241-248； Composites Communications, 2021, 26, 100783）。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

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周锦帆