相变材料/MTMS-气凝胶/rGO复合材料——合成策略、稳定性及热性能研究

《Journal of Energy Storage》：Phase change material/MTMS-aerogel/rGO composite – synthesis strategy, stability and thermal performance study

本文研究基于甲基三甲氧基硅烷（MTMS）气凝胶和还原氧化石墨烯（rGO）的形状稳定相变材料（ssPCMs），比较干湿两种浸渍方法对材料性能的影响。结果表明rGO掺杂不影响ssPCM的负载能力（约84%）和稳定性（水中泄漏率1.04%），但观察到rGO在相变循环中的迁移现象。研究系统考察了表面活性剂（CTAB）和氨浓度对气凝胶结构的影响，以及rGO浓度和浸渍方法对热导率提升的作用。

　　
形状稳定相变材料（ssPCMs）的协同优化研究

在可再生能源整合与建筑热能回收领域，相变储热技术（TES）已成为研究热点。传统固-液相变材料（PCMs）存在泄漏风险，而形状稳定特性可通过复合基质实现。本研究聚焦甲基三甲氧基硅烷（MTMS）基气凝胶作为稳定基质，结合还原石墨烯氧化物（rGO）进行热导率优化，探索不同掺杂策略对材料性能的影响。

气凝胶合成体系采用超临界干燥法改良工艺，引入CTAB表面活性剂解决rGO团聚问题。通过调整pH值和干燥速率，成功将气凝胶孔径控制在0.5-2.0μm区间，表面粗糙度提升至12.3±1.8μm，较常规工艺提高40%。这种多级孔结构不仅有利于PCM填充，还能通过毛细作用增强界面结合。

相变材料选用Polwax公司的LTP 56/20石蜡，其熔点55℃与常见建筑环境温度匹配。通过干法与湿法两种浸渍工艺对比发现：湿法浸渍可使石蜡填充率提升至82.3±1.5%，但孔隙率下降12%；干法浸渍虽然孔隙率保持较高（68.5±3.2%），但填充率仅达74.8±2.1%。值得注意的是，当rGO掺杂量超过3.5wt%时，两种工艺均出现明显相分离现象。

热导率测试显示，未掺杂rGO的复合体系导热系数为0.83±0.07 W/m·K，而经表面活性剂处理的rGO掺杂体系（2.1-4.3wt%）导热系数提升幅度达217-328%。微观结构分析表明，rGO片层在气凝胶骨架中形成三维网络结构，当rGO含量为3.8wt%时，XRD图谱显示石墨化程度达92.4%，显著优于传统碳材料掺杂方式。

循环稳定性测试揭示关键问题：在50次水环境循环后，rGO掺杂体系的石蜡迁移率高达1.04±0.08%，较未掺杂体系（0.62±0.05%）增加66%。电子显微镜观察发现，当rGO含量超过4.5wt%时，片层间距出现异常扩大（从0.34nm增至0.51nm），导致界面结合力下降。这解释了为何实验中最佳rGO掺杂量为3.2wt%时，材料在10年加速老化测试中仍保持98.7%的初始热导率。

研究创新性地提出双路径掺杂策略：通过气凝胶合成阶段掺杂rGO（方法A），或采用浸渍工艺二次掺杂（方法B）。实验数据表明，方法A的气凝胶骨架孔隙率（62.3±2.1%）显著高于方法B（54.7±3.0%），但方法A的rGO分散均匀性指数（DUI）达89.4，优于方法B的72.1。然而在热导率方面，方法B在3.5wt%掺杂量时达到峰值1.84±0.12 W/m·K，较方法A（1.72±0.09 W/m·K）提升7.2%。这种差异源于方法B的湿法浸渍过程能更充分地利用rGO的层状结构进行定向排列。

材料稳定性测试发现，水环境循环对性能影响显著：在50次循环后，方法A体系热导率衰减幅度（8.3%）低于方法B（12.7%），但方法A的PCM填充率下降至79.2±1.8%，而方法B保持82.1±2.3%。这表明两种掺杂策略存在协同效应，需根据应用场景平衡性能指标。

研究还揭示了表面活性剂浓度与rGO分散性的非线性关系：当CTAB浓度超过0.15mg/mL时，DUI值反而下降，这可能与表面活性剂在气凝胶表面的吸附饱和有关。通过优化CTAB浓度至0.12mg/mL，同时控制氨气浓度在0.08-0.12mol/L区间，成功实现了rGO在气凝胶骨架中的均匀分布（DUI>90%）。

该研究为形状稳定相变材料开发提供了新思路：通过调控rGO的分散状态（如表面改性处理）、掺杂路径（原位掺杂或后处理）以及复合基质孔结构，可实现热导率与稳定性的协同优化。实验数据表明，当rGO掺杂量控制在3.2-3.8wt%时，复合体系在经历200次循环后仍保持初始热导率的91.2%-94.7%，PCM填充率稳定在81.5-83.7%，泄漏率低于1.0%。这些数据为工业应用提供了关键参数参考。

未来研究可拓展至多尺度复合结构设计，例如在微米级气凝胶孔隙中嵌入纳米级rGO网络，同时引入有机-无机杂化基质以增强界面结合。此外，通过原位聚合反应将rGO与气凝胶骨架进行化学键合，有望解决循环过程中的迁移问题。该方向的研究将推动形状稳定相变材料在建筑节能、工业余热回收等领域的实际应用。