金属氧化物纳米颗粒增强相变材料的光热转换特性研究及其在太阳能存储中的应用

本研究针对传统相变材料(PCMs)热导率低、光热转换效率(PTCE)不足的问题，通过将Al2 O3 、Fe3 O4 、TiO2 纳米颗粒分散至棕榈酸(PA)和聚乙二醇(PEG)基质中，开发出纳米复合相变材料(NPCMs)。实验证实Al-NP/PEG体系PTCE达95.8%，显著提升太阳能存储效率，为可再生能源利用提供新策略。

　　

在全球能源转型背景下，太阳能因其清洁可再生特性成为化石燃料的理想替代品。然而，太阳能的间歇性和能量密度低等缺陷严重制约其实际应用。相变材料(PCMs)虽能通过相变潜热(LH)高效储热，但有机PCMs如棕榈酸(PA)和聚乙二醇(PEG)存在热导率低(<0.3 W/m·K)、光响应弱等瓶颈。金属氧化物(MO)纳米颗粒因其独特的光热效应被视为突破这一困境的关键，但不同MO纳米颗粒对PCMs光热转换特性(PTCE)的系统性影响尚不明确。

为解决这一科学问题，来自印度孟买Sisco研究实验室的研究团队在《Powder Technology》发表研究，通过两步法制备了Al₂
O₃
(Al-NP)、Fe₃
O₄
(Fe-NP)、TiO₂
(Ti-NP)纳米颗粒增强的PA/PEG复合材料，在1000 W/m²
可见光辐照下系统评估其PTCE。研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)分析材料结构，傅里叶红外光谱(FT-IR)表征化学键，差示扫描量热法(DSC)测定相变焓(?H_m
)，热重分析(TGA)评估热稳定性，并搭建原位实验装置测试光热性能。

材料与方法
研究选用分子量6000的PEG(熔点56-62°C)和PA(熔点61-63°C)作为基材，通过共沉淀法合成Fe-NP，采用超声辅助分散将0.5-5.0 wt%纳米颗粒均匀掺入PCMs。FT-IR在590 cm^-1
处确认Fe-O键特征峰，SEM显示纳米颗粒成功嵌入PCM基体。

结果与讨论
DSC分析揭示纳米颗粒的"成核效应"：纯PA的?H_m
为237.31 J/g，添加5 wt% Al-NP后升至245.18 J/g，而Fe-NP使PEG的?H_m
降低至193.34 J/g。光热测试显示Al-NP表现最优，PA/Al-NP和PEG/Al-NP的PTCE分别达78.23%和95.8%，归因于Al-NP的高光吸收和热导率(提升33%)。Fe-NP因磁热效应在PA中PTCE为76.75%，但在PEG中降至73.9%，表明基质依赖性。

结论
该研究创新性地证实：1) Al-NP能同步提升PCMs的?H_m
和PTCE，打破传统"填料-焓值"此消彼长困局；2) 纳米颗粒浓度存在最优值(本研究中2.5 wt%)，过量添加会导致团聚；3) PEG基复合材料普遍展现更高PTCE，与其分子链柔性相关。这项工作为设计新一代太阳能光热转换材料提供了理论依据，特别适用于建筑节能和工业余热回收领域。研究提出的"纳米颗粒-基质协同效应"机制，为多功能储能材料的开发开辟了新途径。