研究背景

近年来，全球能源需求快速增长，可再生能源和工业余热回收发展迅速，但热能资源分散、能量连续性差、热能利用过程稳定性不佳等问题亟待解决。热能存储（TES）技术可以将间歇性的、不连续的热能转化为连续输出的稳定能量，提高总能源系统的效率。以新型相变材料(PCM)为存储介质的高效储热系统在TES中显示出巨大的潜力，有机PCM具有无毒、无腐蚀、高潜热、温度波动小、成本低、易获得等特点，石蜡(PW)是其中最具代表性的一种。然而，与其他有机PCM相似，PW通常具有固有热导率低，且PW在熔化过程中难以保持形状稳定，这些都极大地限制了其实际应用。通常解决该问题的方法是加入能够提高PCM热导率的纳米颗粒，将PCM封装在稳定的壳体中，并将PCM包裹于3D多孔泡沫中形成相变复合材料(PCCs)。在多种支撑添加剂中，多孔Cu因其高导热性和良好的力学性能常被用作容纳PCM的导热支撑框架。然而，由于PCM的高密度和低粘度，其很难直接容纳PCM于导热框架内。因此，开发具有良好三维结构的轻质孔隙率高的多孔Cu以提高PCC的导热性和抗泄漏性具有重要意义。纤维素在自然界中含量丰富且易于成型，使用纤维素基材料作为模板制备三维多孔Cu是一种可行有效的策略。为此，中国矿业大学的朱春宇教授团队报道了一种制备三维木结构多孔Cu的新合成方法，制备的木结构Cu基PCC复合材料具有较高的导热系数、合适的相变温度和独特的各向异性导热系数，在TES和热管理领域具有广阔的应用前景。

相关成果以“Improved Anisotropic Thermal Transfer Property of Form-Stable Phase Change Material Supported by 3D Bionic Porous Copper”为题，发表于工程技术领域权威期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》（IF=9.224）。

研究内容

针对石蜡等有机相变材料（PCMs）传热低、形状不稳定的特点，研究人员采用木模板法制备了具有木质纹理结构的三维多孔泡沫铜作为PCM的有效支撑骨架。该方法以四胺铜离子溶液(TACIS, Cu(NH 3) 4 2+)为Cu源，与纤维素紧密均匀结合，很好地保持了模板结构。制备的三维多孔Cu框架继承了木质Cu的各向异性结构，沿木材中垂直排列的通道结构形成了连续的高定向传热网络。采用该多孔框架作为PW主体制备的PCC具有木结构所赋予的较高的垂直导热系数和良好的防泄漏性能，且制备的PCC在无外力作用下具有较高的填充率，使PCC具有良好的储热性能和形态稳定性。结果表明，制备的PCC样品均具有良好的各向异性导热系数，垂直方向导热系数比水平方向导热系数高1.8 ~ 2.9倍。制备的PCC样品最高导热系数为6.7 W K −1 m −1，在垂直方向(6.7 W m −1 K −1)和水平方向(2.3 W m −1 K −1)的导热系数分别是石蜡(0.25 W m −1 K −1)的26.8倍和9.2倍。该PCC制备成本低、储热容量高、导热性良好，在大规模储热系统和热管理方面具有广阔的应用前景。

研究数据

图1. CW样品和PCC的制备示意图。(a)使用木材及TACIS制备CW;(b) CW@PW复合材料的高度可逆和高效储能示意图。

图2. (a)-(b) WCuO的SEM图像;(c)-(d) WCuO的EDS元素映射图像。

图3. (a) WCuO和(b) CW400、CW500、CW600的XRD谱图。

图4. 空气中(a) PW，(b) CW400@PW，(c) CW500@PW和(d) CW600@PW的TG-DTA分析。

图5. PCC的DSC分析。

图6. PCC的石蜡填充率。

图7. PCC的热导率。

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssuschemeng.2c06396