研究背景
在全球低碳转型背景下，太阳能作为重要的清洁能源备受瞩目。然而，太阳能供应受昼夜交替、季节变化和天气条件等自然因素影响，严重制约了其稳定供应能力。相变材料(PCM)因其在相变过程中能够可逆地吸收或释放大量潜热，同时保持温度恒定，被认为是解决太阳能间歇性问题的理想储热介质。然而，相变材料在实际应用中存在液相易泄露、固有低导热率以及缺乏光吸收等缺陷严重限制了其在太阳能利用领域的应用。因此，亟需开发一种兼具优异封装稳定性、高导热性能和高效光热转换的复合相变材料。
文章要点
本文通过高效的自组装策略在铜泡沫表面构建有序的Cu-MOF（金属有机框架）阵列，形成独特的松针状结构(Cu-OH-H)来封装聚乙二醇(PEG)。Cu-OH-H支架由3D连续微米级铜骨架和纳米级Cu-MOF阵列组成，形成微-纳双尺度封装体系。这种多尺度结构通过强大的毛细管力和氢键作用为PEG 提供了理想的封装环境，即使在熔点以上也能确保出色的结构稳定性。同时，铜泡沫与分层结构的协同作用促进了热量的分布和快速传递，将Cu-OH-H/P的导热系数提高到2.35 W/mK，增幅达734%。值得注意的是，松针状结构通过增强多重光散射和捕获，实现了高效光吸收和最小反射，光热转换效率高达96.9%。基于Cu-OH-H/P的太阳能驱动热电转换系统表现出对不同气候的出色适应性，最大输出电流达129.3 mA，能够实现稳定的全天候供电，为解决可再生能源间歇性问题提供了新的途径，在未来清洁能源领域展现广阔的应用前景。
图文展示
图1. 基于Cu-OH-H/P光-热-电系统的工作机理。
图2. (a) Cu-OH-H/P的制备流程。(b-c) Cu-OH-H的微观形貌和 (d) 松针数码照片。
图3. (a, b) Cu-OH-H/P的SEM图。(c) PEG和Cu-OH-H/P的谱图。(d) Cu-OH-H/P的红外光谱。(e) PEG, Cu/P和Cu-OH-H/P的形状稳定性测试。(f) Cu-OH-H双尺度结构的封装机理图。
图4. Cu/P和Cu-OH-H/P的 (a) DSC升温曲线和 (b) 降温曲线。(c) 相变复合材料的热物理参数。(d) PEG, Cu/P和Cu-OH-H/P的导热系数。(e) Cu-OH-H/P的传热机理图。
图5. (a) PEG, Cu/P和Cu-OH-H/P的UV-Vis-NIR光谱图。(b) Cu-OH-H 结构的光捕获示意图。(c) Cu/P和Cu-OH-H/P在光照和无光条件下的温度变化曲线。(d) 相变复合材料的光热转换效率。(e) 本工作与其他工作的性能对比图。(f) Cu-OH-H/P在在重复光热循环后的性能稳定性。(g) Cu/P和Cu-OH-H/P在不同入射角下表面稳态温度的变化。
图6. (a) 光-热-电转换系统的工作示意图。光-热-电转换系统在光照和不同散热环境下的 (b) 温度变化和 (c) 输出电流。(d) 系统在空气、水和冰水中的最大输出电压、电流和功率。 (e) 关闭光源后风扇的运行时间。
本工作以“Pine needle-like hierarchical copper foam-based high-performance phase change composites for all-weather solar-thermal-electric conversion”为题发表在期刊《Chemical Engineering Journal.》（IF: 13.3，中科院工程技术大类1区）。论文的第一作者为做爱直播
2022级硕士生黄子杰，通讯作者为做爱直播
祁晓东副教授和王勇教授。
Zi-jie Huang, Yu-long Liu, Jing-hui Yang, De-xiang Sun, Xiao-dong Qi*, Yong Wang*. Pine needle-like hierarchical copper foam-based high performance phase change composites for all-weather solar-thermal-electric conversion. Chemical Engineering Journal, 2025, 514, 163268.
文章链接：//doi.org/10.1016/j.cej.2025.163268
王勇教授团队入选2020年四川省青年科技创新研究团队，团队主要从事高分子材料增强增韧、功能（导热、介电、相变、阻燃等）高分子复合材料的研究。现有教授1人、副教授2人、高工1人、讲师3人、博士后1人。团队主持包括9项国家自然科学基金在内的科研项目60余项，获2018年度四川省自然科学二等奖和2021年度四川省技术发明奖二等奖。在Prog. Polym. Sci.、Nano Micro lett.、Macromolecules等期刊发表高质量论文300余篇，ESI高被引论文6篇；主编教材1部，参编英文专著1部；申请或授权国家发明专利30余项。
