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Nano Res.│南航低碳航空动力与绿色能源创新团队:非贵金属等离子体装饰的人工“蜂蜜-蜂窝”用于高效太阳能光热转换与存储

本篇文章版权为刘向雷所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


热能储存因可有效解决能源供需、时间与空间上的不平衡问题而备受关注。以相变材料为核心的潜热储能技术具有储能密度大、运行温度恒定、储能温度可调节等优点,所以广泛应用于太阳能热发电、电子设备热管理、航空航天等领域。然而,相变材料(PCMs)普遍具有低热导率、易泄露问题极大限制了其应用。研究人员通过在相变材料中添加高导热纳米颗粒或碳/金属泡沫可解决以上问题,但纳米颗粒在相变材料中不连续,导致导热增强效果不明显。碳材料高温易氧化,金属材料易受熔盐腐蚀,阻碍了高熔点高储能密度无机相变材料的使用,制约了复合材料储能密度的提高。因此,实现复合材料兼具高热导率与高储能密度仍然是一个挑战。具有高热导率、密度小、化学稳定性好的陶瓷材料为实现高热导率与高储能密度兼具的复合材料提供了一个新的思路。本工作以陶瓷作为基体材料,并用非贵金属TiN 纳米颗粒装饰表面,与相变材料相结合构建了人工“蜂蜜-蜂窝”结构。该工作不仅同时获得了高热导率与高储能密度,还实现了高效太阳能光热转换与存储。


成果简介


南京航空航天大学低碳航空动力与绿色能源创新团队宣益民院士、刘向雷教授等受蜜蜂储存蜂蜜的启发,提出了基于TiN纳米颗粒装饰的多孔AlN骨架-PCMs人工“蜂窝-蜂蜜”复合材料,该材料具有优异的太阳能热转换和热能存储能力。在AlN含量为20vol%时,复合材料的导热系数可达21.58W/m·K,该材料充放热时间仅占纯相变材料的一半左右,且历经500次熔化/凝固循环,依旧能保持良好的形状稳定性和热可靠性。其中高导热率的机理在于单晶AlN晶须的晶体缺陷少、声子散射较低,并且形成了垂直排列的三维热传导通道。由于TiN纳米颗粒具有等离子体效应,全光谱太阳吸收率高达95%。与具有高热导率的三维骨架相结合,太阳能储热效率在无需使用额外的选择性涂层下达92.9%,表现出了快速和高效的太阳能储热性能。此外,通过嵌入LiNO3-NaCl共晶盐,复合材料的相变焓高达208kJ/kg,兼具了高储能密度和高储能速率。这项工作为实现快速、高效、稳定、紧凑的太阳能捕获和热能存储提供了新的途径。


图文导读


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图1人工“蜂蜜-蜂窝”高效太阳能光热转换与存储概要图。氮化铝骨架表面氮化钛纳米颗粒全光谱吸收太阳能并转化为热,热可通过骨架快速传导至整个骨架,置于骨架内部的相变材料熔化并进行热量储存,此种光热转换与储存一体化极大提高了储热速率,进一步促进了潜热技术的发展。


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图2人工“蜂蜜-蜂窝”氮化铝基复合相变材料制备工艺流程图,氮化铝粉末、晶须与叔丁醇混合成浆料倒入模具中冷冻干燥,溶剂叔丁醇在垂直温度梯度下形成自下而上的冰晶,冰晶在低压下升华留下孔隙得到蜂窝状的多孔生胚;生胚经高温烧结可提高胚体致密性并且净化氮化铝晶体结构,可获得具有高热导率的氮化铝蜂窝骨架。通过多次浸渍-干燥,氮化钛纳米颗粒被固结在氮化铝骨架之上,最后与相变材料复合即可得到兼具高热导率、高储能密度的高效太阳能光热转换与存储复合相变材料。


通讯作者简介


刘向雷,南京航空航天大学教授,主持了国家重点研发计划项目、军委科技委国防科技创新特区项目、国家自然科学基金面上与青年项目等,获爱思唯尔/雷蒙德·维斯坎塔青年科学家奖、美国佐治亚理工学院SigmaXi最佳博士论文、中欧可再生能源和储能技术会议最佳海报论文奖、国家优秀自费留学生奖学金等。发表高水平学术期刊论文90余篇,其中封面文章5篇,合作出版英文专著3本。入选了国家青年特聘专家、中国科协“青年人才托举工程”、江苏省“双创人才”、福布斯中国30位30岁以下精英(科技领域)、强国青年科学家提名等。担任航空飞行器热管理与能量利用工信部重点实验室主任、教育部能源动力类教学指导委员会副秘书长、Carbon Neutrality AIMS Energy、推进技术等期刊编委等。


文章信息


H. Wang, X. Liu, Q. Luo, et al. Artificial “honeycomb-honey” decorated with non-noble plasmonic nanoparticles for superior solar capture and thermal energy storage. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4450-z.

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