Tightened 1D/3D carbon heterostructure infiltrating phase change materials for solar-thermoelectric energy harvesting: Faster and better

Zhaodi Tang, Piao Cheng, Panpan Liu, Yan Gao, Xiao Chen*, Ge Wang*

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.281

热能是需求较大的一种重要能源形式，而且热能在减少碳排放实现碳中和起着举足轻重的作用，然而，热能的有效收集是一个主要难题。基于塞贝克效应的热电(TE)转换技术和基于相变材料(PCMs)的热能存储技术为解决这一难题提供了可行性。然而，如何整合环境中自由存在的多种热能，同时储存和输出热能和电能，仍然是一个挑战。最近的研究将PCMs与TE器件集成在一起，用于同时存储和输出热能和电能。利用复合PCMs吸收阳光并将其转化为热能，将热能传递给热电器件提供温差来驱动商业TE器件。目前的研究主要集中在如何提高复合PCMs的光热转换效率以获得较高的热电输出。如何设计出理想的一体化复合相变材料来实现热能和电能的同步输出而不需要额外的商用热电器件亟待解决与发展。

北京科技大学王戈教授和北京师范大学陈晓助理研究员合作报道了可同步输出热能和电能的一体化复合相变材料的设计策略。通过在一维碳纳米管上原位生长三维纳米结构MOFs，经过高温碳化后，获得了一系列用于PCMs封装的负载Co纳米颗粒碳异质结构。复合PCMs在315℃以下表现出优异的形状、循环和热稳定性，并且在96 mW/cm²的辐照强度下，光热转换效率高达98.1%。在降温过程中制备的复合PCMs薄膜可保持比人体皮肤高的温度长达28 min，显示出巨大的人体热管理潜力。此外，一体化复合PCMs可以在不需要外部热电器件的情况下实现热电转换，能够根据塞贝克效应输出电压。通过合理设计Zn与Co的比例，可以调节复合PCMs的塞贝克系数，所构建的CNTs@PC(Zn_0.5Co_0.5)塞贝克电动势可达到180 μV。本工作提出的基于PCMs的一体化设计策略，为设计一体化光热电转换的先进多功能PCMs提供了新思路。

1. 通过常温溶剂反应在一维碳纳米管上原位生长三维纳米结构MOFs，经过高温碳化后，成功制备了一系列用于PCMs封装的负载Co纳米颗粒碳异质结的多孔碳材料。

2. 复合相变材料具有优异的热性能、稳定性以及超高的98.1%光热转转换效率，而且在人体热管理方面显示出巨大的潜力。

3. 制备的一体化复合PCMs不仅可以实现光热转换以及能量收集而且可以在不需要外部热电器件的情况下实现热电转换，能够根据塞贝克效应输出电压。该一体化设计策略，为设计一体化光热电转换的先进多功能PCMs提供了新思路。

图1 (A) CNTs@PC的合成示意图；(B-C) CNTs@ZIF的SEM图像；(D) CNTs@PC的SEM图像；(E) CNTs@ZIF的TEM图像；(F-G) CNTs@PC的TEM图像。

图2 (A) CNTs@PC的拉曼光谱; (B) CNTs@ZIF的XRD图谱; (C) CNTs@PC的ID/IG比值; (D) CNTs@ZIF的FTIR光谱; (E) CNTs@PC的N₂吸附-脱附等温曲线。

图3 (A) CNTs@PC/PEG温度变化的红外热成像；(B) PEG和CNTs@PC/PEG的DSC曲线；(C) PEG和复合PCMs的相变温度和相变焓；(D) CNTs@PC/PEG(上)和PEG(下)的模拟温度变化。

图4 (A) 模拟太阳光辐照下复合PCMs的时间-温度曲线；(B) 复合PCMs的光热转换效率；(C) 光热转换效率比较；(D) 太阳照射到75°C后，粘贴在人手臂皮肤上的复合PCMs的温度-时间曲线，插图显示了人体手臂上复合PCMs的数字和红外图像；(E) 光热转换循环性能。

图5 (A) 复合PCMs的热电性能；(B) 5°C温差下模拟的复合PCMs的电势分布；(C) 将温度为50°C的水倒入烧杯后复合PCMs的赛贝克电动势变化。

   排版|熊可心

    初审|潘小丫 

终审|李娟