活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对蓄热用石蜡导热性的影响

　　热能储存系统在减少对化石燃料的依赖、利用丰富的太阳能和其他绿色能源方面具有巨大潜力。潜热储存最有前途和创新的方法之一是使用相变材料，这种材料可以储存和释放能量，而不会对环境造成有害后果。相变材料被认为是环保的。在相变过程中，这种材料可以储存和释放大量能量。本次究探讨了通过引入活性炭和聚乙二醇来提高有机相变材料充电和放电速率的潜力，分别测试了从0.3wt%到2wt%的不同浓度的活性炭来实现尽可能高的导热率。

　　纳米变相材料合成

　　有两种主要的方法用于合成基于纳米颗粒的材料合成，即一步法和两步法。如果纳米颗粒在基础材料合成中的合成和分散在一个步骤中进行，则称为一步法。而在两步法中，纳米材料首先合成或从市场购买，然后分散到基础材料合成中。大多数研究人员使用两步法制备基于纳米颗粒的材料合成。材料的选择可以取决于需要热能存储应用的环境温度。由于所调查地区的平均白天温度约为28℃，因此考虑熔点约为42至50℃的变相材料。然而，这项研究的重点是研究添加活性炭对变相材料热导率的影响。因此，材料的选择与地区天气条件无关。

　　每个样品的总重量精确设定为15g，其中活性炭和表面活性剂的量均基于变相材料量。有多个参数进行比较，每个杯子运行3次以获得稳定的结果。活性炭以不同的重量分数(0.3%、0.5%和1%)混入，表面活性剂以总材料的0.5%、1%和2%混合，即表面活性剂+活性炭、表面活性剂+变相材料和表面活性剂+活性炭+聚乙二醇。值得一提的是，我们制备了不同浓度的样品并进行了研究，以找出表面活性剂中添加剂的最佳浓度。最佳浓度是基于最小到无沉淀和热导率增加百分比，这与其他参数相关，即热循环后的焓和可能的化学反应。

　　图1显示了样品制备方法的示意图。首先，将固体石蜡称重并放入样品杯中。放上热板，让温度达到60℃，加热样品杯，直到所有表面活化剂熔化。随后，将0.5%、1%或2%的表面活性剂与石蜡在500rpm的搅拌下混合，并在65℃下连续加热约10分钟。然后，将0.3%、0.5%或1%的活性炭添加到混合物中，并通过以900rpm的磁力搅拌和在65℃下连续加热约15分钟再次分散。在此步骤之后，将样品杯置于室温下进行固化。

　　图1：宏观增强纳米相变材料的制备示意图。

　　基于纳米颗粒的变相材料使用SEM、FTIR光谱和DSC分析来表征。SEM提供了有关材料形态和均匀性的重要信息。纳米变相材料+活性炭和纳米变相材料+聚乙二醇+活性炭的扫描电子显微照片如图2所示。在SEM图像中可以看到基于纳米颗粒的变相材料的紧密堆积结构，其中活性炭和聚乙二醇均匀分布在纳米变相材料的粗糙和多孔表面上。值得一提的是，将样品加热制成薄片并固定在铝柱上进行SEM分析。此外，已经进行了金涂层以创建电气路径。对于所有样品，为SEM选择的电压为15Kv级与7mm的电子枪距离。

　　图2：含有合适佳浓度(a)石蜡和活性炭和(b)石蜡+聚乙二醇+活性炭的相变材料样品的SEM图像。

　　加热和冷却性能

　　记录纯变相材料以及添加了添加剂的变相材料的充电和放电曲线，以直接比较活性炭和聚乙二醇的单独和组合效果。对每种添加剂的量进行了实验，并选择了最佳量的聚乙二醇以优化要添加到石蜡中的活性炭浓度。被观察样品的时间与温度行为如图3a-f所示。值得一提的是，每种情况下记录了五个加热-冷却循环，并给出了第六个循环以后的曲线，以避免与气泡和沉淀的形成有关的任何错误。值得一提的是，在第五次循环之后总共进行了10次充放电循环，发现观察到的曲线是相同的。这是因为变相材料的化学成分没有变化。

　　图3：(a,b)活性炭0.3%,0.5%,1%,(c,d)聚乙二醇0.5%,1%,2%,(e)不同重量比的变相材料充放电倍率,(f)活性炭为0.3%、0.5%和1%，聚乙二醇为1%。

　　随着活性炭在变相材料中的加入，整体充放电时间减少。但是，变化并不那么突出。当0.3wt%活性炭(图3a)被添加到变相材料中，观察到温度快速升高，直到34℃，这可以称为预显热。此后的温度下降速率表明相变的开始，可以称为后显热。大约90分钟后观察到完全液化，这标志着温度速率开始快速增加。对于含有0.5wt%活性炭的样品，观察到了相同的趋势。在40℃之前观察到相变和后显热的开始，并在大约87分钟后观察到完全熔化。有机变相材料中活性炭浓度进一步增加到1wt%，相变温度开始降低到36℃左右。105分钟后观察到变相材料完全液化，这标志着相变的开始和温度速率的增加。另一方面，纯变相材料的相变起始温度在36-37℃之间。大约80分钟后观察到完全液化，这是最短的时间。这意味着单独加入活性炭并没有增加导热率，​​而是降低了它。这是由于活性炭无法稳定地悬浮变相材料。据观察，大多数活性炭在第三次热冷却循环后从变相材料中沉淀出来，放电行为显示在图3b。与含有活性炭的变相材料相比，纯变相材料的放电时间最长。这种行为可能与预显热减少的影响相关，后者通过加入活性炭降低了能量存储。

　　活性炭对蓄热用石蜡导热性的影响在这项研究中，研究了活性炭和变相材料的单独和组合效应，以提高原始材料的热导率。分别测试了从0.3wt%到2wt%的不同浓度的活性炭。发现的优化浓度被用作双重增强物，以实现尽可能高的导热率。SEM用于检查材料与添加剂(活性炭)的表面形态和均匀性，并制作了一个临时装置来研究材料的充电-放电行为以优化添加剂的浓度。最后，分别计算了一百次充放电循环后样品的焓变化和稳定性。观察到热导率总体增加了25%，这是由于活性炭协同作用。

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