近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒團隊開發(fā)出新型光熱相變儲能微膠囊。相關工作以Phase-Changing Microcapsules Incorporated with Black Phosphorus for Efficient Solar Energy Storage為題發(fā)表在《先進科學》(Advanced Science)上。
 

　　將太陽光轉(zhuǎn)化成熱能是當前太陽能利用的重要方式，在海水淡化、供暖、建筑以及太陽能儲存系統(tǒng)等領域有著巨大應用潛力。相變材料能夠在固液相變過程中高效儲存或釋放熱能，這為解決太陽輻照在時間上的不均衡提供了可行性，也可解決晝夜溫差的問題。然而，傳統(tǒng)有機相變材料在相變時容易發(fā)生泄漏，并且無法有效吸收太陽光。近年來，將光熱材料與相變材料結(jié)合的相變儲能微膠囊技術逐漸進入人們的視野，光熱材料的引入可直接高效吸收太陽光能轉(zhuǎn)化成熱能，進而被相變材料儲存和控釋。但目前技術往往只能將光熱材料和殼材結(jié)合，或包裹在殼層中或修飾在殼材表面，這導致光熱材料產(chǎn)生的大部分熱量在殼材與外界對流中直接耗散，無法有效存儲太陽能。
 

　　太陽能是一種清潔可再生能源，在所有的可再生能源中，太陽能分布最廣，獲取最容易。 但是太陽能受地理、 晝夜和季節(jié)等規(guī)律性變化的影響以及陰晴云雨等隨機因素的制約， 能流密度低，通常每平方米不到一千瓦，此外，能量隨著時間和天氣的變化呈現(xiàn)不穩(wěn)定性和不連 續(xù)性。為了保證太陽能利用穩(wěn)定運行, 就需要儲熱裝置把太陽能儲存起來, 在太陽能不足時 再釋放出來, 以滿足生產(chǎn)和生活用能連續(xù)和穩(wěn)定供應的需要。 幾乎所有用于采暖、 供應熱水、 生產(chǎn)過程用熱等的太陽能熱利用裝置都需要儲存熱能。
 

　　太陽能儲存有三層含義，一是將白天接收到的太陽能儲存到晚間使用，二是將晴天接收 到的太陽能儲存到陰雨天氣使用， 三是將夏天接收到的太陽能儲存到冬天使用。 國內(nèi)外研究太陽能的儲存方法主要有兩大類: 第一類是將太陽能直接儲存，即太陽能熱儲存，主要 分為三種類型：顯熱儲存、相變儲存和化學反應儲存；第二類是把太陽能先轉(zhuǎn)換成其他能量 形式, 然后再儲存, 如先轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蜋C械能。
 

　　深圳先進院材料界面研究中心等建立了年產(chǎn)300噸的微膠囊中試和產(chǎn)業(yè)平臺。團隊掌握了多種新型無醛微膠囊的工業(yè)化制備技術，開發(fā)出了熱致變色、光致變色、相變儲能、光致發(fā)光、智能緩釋等多種微膠囊產(chǎn)品，可廣泛應用于智能服裝、穿戴類、嵌入式設備以及醫(yī)療植入設備等領域。
 

　　在本項工作中，團隊設計了一種高效的太陽能存儲相變微膠囊。首先，通過一步法制備了PMMA修飾的二維黑磷納米片，提升了其在二氯甲烷以及二十烷中的分散性。然后通過乳化揮發(fā)法，構建了以高透光性聚合物PMMA為殼材，以光熱轉(zhuǎn)換材料二維黑磷納米片和相變材料二十烷共為芯材的相變微膠囊材料。該相變微膠囊具有高潛熱值(180 kJ/kg)，表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性以及出色的光熱轉(zhuǎn)換和太陽能存儲能力。在光照條件下，微膠囊內(nèi)分散良好的二維黑磷將吸收太陽光能轉(zhuǎn)換的熱能直接傳遞給二十烷進行存儲，和二維黑磷在膠囊壁材外的樣本相比，具有3倍的存儲速率。這種光熱相變儲能微膠囊材料在太陽能存儲領域擁有應用前景，也為設計多功能相變復合材料提供了新方法。
 

　　該研究工作得到了國家自然科學基金、中科院前沿科學重點項目、廣東省特支計劃等項目的支持。