界面调控型有机-无机复合相变凝胶的低温储能性能优化与机理研究

针对低温环境下无机相变材料(PCMs)易发生相分离、过冷及有机PCMs导热差、易燃等问题，研究人员通过界面改性技术开发了有机-无机复合相变凝胶(HTG5)。该材料实现了4.9°C精准相变温度(PCT)调控，兼具157.9 J g?1高潜热和0.198 W m?1 K?1导热系数，循环稳定性达50次以上，为新一代低温储能技术提供创新解决方案。

　　

在能源危机与碳中和背景下，低温冷能存储技术成为食品冷链、医药保存等领域的关键瓶颈。传统相变材料(PCMs)长期面临"无机-有机不可兼得"的困境：无机PCMs如盐水合物虽成本低廉，但存在相分离、严重过冷(ΔT)和循环稳定性差等缺陷；有机PCMs如十四烷虽相变稳定，却受限于低导热系数、易燃性及高昂成本。更棘手的是，两类材料因界面不相容难以优势互补，这一"材料鸿沟"制约着低温储能技术发展。

针对这一挑战，来自湖南的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表突破性研究。他们创新性地采用界面力调控策略，通过熔融共混-反相乳化法制备了水合盐-十四烷复合相变凝胶(HTG₅)。该材料首次实现4.9°C精准相变温度(PCT)调控，同时具备157.9 J g^?1高潜热(ΔH_m)和0.198 W m^?1 K^?1导热系数，相较传统无机PCMs冷能密度提升33%，且完全消除相分离和过冷现象。

关键技术包括：1）采用十二烷基硫酸钠(SDS)调控水合盐(DSSNU)与十四烷界面张力；2）通过差示扫描量热法(DSC)精确测定PCT和ΔH；3）热循环测试评估50次循环稳定性；4）微观形貌分析揭示界面重构机制。

Abbreviation与Symbols
明确定义PCMs、HTG等缩写及T_c（结晶温度）、ΔH_m（熔解潜热）等符号，为后续分析建立标准。

Experimental materials
选用磷酸氢二钠十二水合物(DHPD)、碳酸钠十水合物(SCD)等低成本无机盐与99%纯度十四烷复合，SDS作为关键界面改性剂。

Morphology analysis
电镜显示：原始共晶盐呈针状结构（图2a），而HTG₅中针状晶体消失，形成均匀凝胶网络（图2b-d），证实SDS成功诱导界面重构。

Discussion
机理突破在于：SDS亲水端锚定水合盐、疏水端连接十四烷，形成分子桥；改性后的共晶盐比例(5:5)既提供成核位点抑制过冷，又通过盐结晶水合作用提升潜热。

Conclusions
该研究首次实现有机-无机PCMs的优势耦合：1）成本降低40%以上；2）燃烧测试显示阻燃性提升；3）冷链模拟实验证实可延缓温度波动4小时以上。

这项研究不仅为低温储能提供新材料，更开创了界面力调控设计PCMs的新范式。未来通过优化盐/烷比例，有望进一步拓展至-20°C深冷领域，对疫苗运输等关键场景具有重大应用价值。