活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對蓄熱用石蠟導熱性的影響

　　熱能儲存系統在減少對化石燃料的依賴、利用豐富的太陽能和其他綠色能源方面具有巨大潛力。潛熱儲存最有前途和創新的方法之一是使用相變材料，這種材料可以儲存和釋放能量，而不會對環境造成有害后果。相變材料被認為是環保的。在相變過程中，這種材料可以儲存和釋放大量能量。本次究探討了通過引入活性炭和聚乙二醇來提高有機相變材料充電和放電速率的潛力，分別測試了從0.3wt%到2wt%的不同濃度的活性炭來實現盡可能高的導熱率。

　　納米變相材料合成

　　有兩種主要的方法用于合成基于納米顆粒的材料合成，即一步法和兩步法。如果納米顆粒在基礎材料合成中的合成和分散在一個步驟中進行，則稱為一步法。而在兩步法中，納米材料首先合成或從市場購買，然后分散到基礎材料合成中。大多數研究人員使用兩步法制備基于納米顆粒的材料合成。材料的選擇可以取決于需要熱能存儲應用的環境溫度。由于所調查地區的平均白天溫度約為28℃，因此考慮熔點約為42至50℃的變相材料。然而，這項研究的重點是研究添加活性炭對變相材料熱導率的影響。因此，材料的選擇與地區天氣條件無關。

　　每個樣品的總重量精確設定為15g，其中活性炭和表面活性劑的量均基于變相材料量。有多個參數進行比較，每個杯子運行3次以獲得穩定的結果。活性炭以不同的重量分數(0.3%、0.5%和1%)混入，表面活性劑以總材料的0.5%、1%和2%混合，即表面活性劑+活性炭、表面活性劑+變相材料和表面活性劑+活性炭+聚乙二醇。值得一提的是，我們制備了不同濃度的樣品并進行了研究，以找出表面活性劑中添加劑的最佳濃度。最佳濃度是基于最小到無沉淀和熱導率增加百分比，這與其他參數相關，即熱循環后的焓和可能的化學反應。

　　圖1顯示了樣品制備方法的示意圖。首先，將固體石蠟稱重并放入樣品杯中。放上熱板，讓溫度達到60℃，加熱樣品杯，直到所有表面活化劑熔化。隨后，將0.5%、1%或2%的表面活性劑與石蠟在500rpm的攪拌下混合，并在65℃下連續加熱約10分鐘。然后，將0.3%、0.5%或1%的活性炭添加到混合物中，并通過以900rpm的磁力攪拌和在65℃下連續加熱約15分鐘再次分散。在此步驟之后，將樣品杯置于室溫下進行固化。

　　圖1：宏觀增強納米相變材料的制備示意圖。

　　基于納米顆粒的變相材料使用SEM、FTIR光譜和DSC分析來表征。SEM提供了有關材料形態和均勻性的重要信息。納米變相材料+活性炭和納米變相材料+聚乙二醇+活性炭的掃描電子顯微照片如圖2所示。在SEM圖像中可以看到基于納米顆粒的變相材料的緊密堆積結構，其中活性炭和聚乙二醇均勻分布在納米變相材料的粗糙和多孔表面上。值得一提的是，將樣品加熱制成薄片并固定在鋁柱上進行SEM分析。此外，已經進行了金涂層以創建電氣路徑。對于所有樣品，為SEM選擇的電壓為15Kv級與7mm的電子槍距離。

　　圖2：含有合適佳濃度(a)石蠟和活性炭和(b)石蠟+聚乙二醇+活性炭的相變材料樣品的SEM圖像。

　　加熱和冷卻性能

　　記錄純變相材料以及添加了添加劑的變相材料的充電和放電曲線，以直接比較活性炭和聚乙二醇的單獨和組合效果。對每種添加劑的量進行了實驗，并選擇了最佳量的聚乙二醇以優化要添加到石蠟中的活性炭濃度。被觀察樣品的時間與溫度行為如圖3a-f所示。值得一提的是，每種情況下記錄了五個加熱-冷卻循環，并給出了第六個循環以后的曲線，以避免與氣泡和沉淀的形成有關的任何錯誤。值得一提的是，在第五次循環之后總共進行了10次充放電循環，發現觀察到的曲線是相同的。這是因為變相材料的化學成分沒有變化。

　　圖3：(a,b)活性炭0.3%,0.5%,1%,(c,d)聚乙二醇0.5%,1%,2%,(e)不同重量比的變相材料充放電倍率,(f)活性炭為0.3%、0.5%和1%，聚乙二醇為1%。

　　隨著活性炭在變相材料中的加入，整體充放電時間減少。但是，變化并不那么突出。當0.3wt%活性炭(圖3a)被添加到變相材料中，觀察到溫度快速升高，直到34℃，這可以稱為預顯熱。此后的溫度下降速率表明相變的開始，可以稱為后顯熱。大約90分鐘后觀察到完全液化，這標志著溫度速率開始快速增加。對于含有0.5wt%活性炭的樣品，觀察到了相同的趨勢。在40℃之前觀察到相變和后顯熱的開始，并在大約87分鐘后觀察到完全熔化。有機變相材料中活性炭濃度進一步增加到1wt%，相變溫度開始降低到36℃左右。105分鐘后觀察到變相材料完全液化，這標志著相變的開始和溫度速率的增加。另一方面，純變相材料的相變起始溫度在36-37℃之間。大約80分鐘后觀察到完全液化，這是最短的時間。這意味著單獨加入活性炭并沒有增加導熱率，​​而是降低了它。這是由于活性炭無法穩定地懸浮變相材料。據觀察，大多數活性炭在第三次熱冷卻循環后從變相材料中沉淀出來，放電行為顯示在圖3b。與含有活性炭的變相材料相比，純變相材料的放電時間最長。這種行為可能與預顯熱減少的影響相關，后者通過加入活性炭降低了能量存儲。

　　活性炭對蓄熱用石蠟導熱性的影響在這項研究中，研究了活性炭和變相材料的單獨和組合效應，以提高原始材料的熱導率。分別測試了從0.3wt%到2wt%的不同濃度的活性炭。發現的優化濃度被用作雙重增強物，以實現盡可能高的導熱率。SEM用于檢查材料與添加劑(活性炭)的表面形態和均勻性，并制作了一個臨時裝置來研究材料的充電-放電行為以優化添加劑的濃度。最后，分別計算了一百次充放電循環后樣品的焓變化和穩定性。觀察到熱導率總體增加了25%，這是由于活性炭協同作用。

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