深圳先進院開發出光熱相變儲能微膠囊

近日，中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒研究員課題組成功開發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為題發表在國際著名學術期刊《先進科學》(Advanced Science)上，影響因子15.84。論文共同第一作者是博士研究生黃浩和碩士研究生史桐雨，通訊作者是喻學鋒研究員。

在滿足全球日益增長的能源需求中，太陽能是最重要的可再生能源。將太陽光轉化成熱能是當前太陽能利用的重要方式，在海水淡化、供暖、建築以及太陽能儲存系統等領域有著巨大的應用潛力。相變材料能夠在固液相變過程中高效的儲存或釋放熱能，這為解決太陽輻照在時間上的不均衡提供了可行性，也即解決晝夜溫差的問題。然而，傳統有機相變材料在相變時容易發生洩漏，並且無法有效吸收太陽光。近年來，將光熱材料與相變材料結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化成熱能，進而被相變材料進行儲存和控釋。但目前技術往往只能將光熱材料和殼材結合，或包裹在殼層中或修飾在殼材表面，這導致光熱材料產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。

深圳先進院材料界面研究中心近年來在微膠囊技術領域積累了豐富的研究經驗，並與外溢機構武漢中科先進技術研究院有限公司合作，建立了年產300噸的微膠囊中試和產業平臺。團隊掌握了多種新型無醛微膠囊的工業化製備技術，成功開發出了熱致變色、光致變色、相變儲能、光致發光、智能緩釋等多種微膠囊產品，可廣泛應用於智能服裝、穿戴類、嵌入式設備以及醫療植入設備等領域。

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，通過一步法製備了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。然後通過乳化揮發法，構建了以高透光性聚合物PMMA為殼材，以光熱轉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），表現出較好的熱穩定性以及出色的光熱轉換和太陽能存儲能力。在光照條件下，微膠囊內分散良好的二維黑磷將吸收太陽光能轉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巨大的應用前景，也為設計多功能相變複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、中國科學院前沿科學重點項目、廣東省特支計劃等項目的支持。團隊申請了相關專利，並將推動該項技術的產業化。

左圖：光熱相變微膠囊太陽能存儲示意圖；右圖：a,b分別為黑磷在微膠囊表面、內部掃描電鏡表徵；c圖為微膠囊材料光熱轉換及存儲溫度-時間曲線；d圖為模擬光熱相變微膠囊實際應用效果圖；e,f圖為兩種光熱相變微膠囊能量存儲機理圖。