《Energy Conversion and Management-X》：Next-generation bio-based phase change materials for sustainable energy storage
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本文系统综述了生物基相变材料（BPCMs）作为传统相变材料（PCMs）的可持续替代品，在热能储存（TES）应用中的最新进展。文章重点探讨了BPCMs的分类、理想特性、制备方法、形态学分析，并对其热物理性质（如导热系数、潜热、熔点和热稳定性）进行了批判性评估。同时，深入分析了BPCMs在TES应用中面临的挑战、环境影响因素，并提出了未来研究方向，为开发高效、环保的储能技术提供了重要参考。
生物基相变材料（BPCMs）概述
随着全球致力于在2050年前实现温室气体净零排放以应对全球变暖和气候变化，开发生态可行的能源策略变得至关重要。这些策略包括利用可再生能源和实施废热回收系统。然而，太阳能等可再生能源存在间歇性问题，导致能源生产与消费不匹配。热能储存（TES）技术是解决这一挑战的关键，它能有效平衡热量的供需。TES主要包括显热储存、潜热储存和热化学能储存。其中，潜热储存材料，即相变材料（PCMs），因其储能密度高、温度波动小、热损失低和容器尺寸小等优点，被认为是一种极具前景的TES方式。
热能储存的必要性与相变材料
相变材料（PCMs）通过在相变过程中吸收或释放大量潜热来实现近乎等温的储热和放热过程，从而减少热损失。PCMs根据其物理状态变化（如固-液转变）来存储能量。适用于建筑等应用的固-液PCMs主要分为有机PCMs、无机PCMs和低共熔混合物。为了建立可持续的储能技术，研究重点已逐渐转向生物基相变材料（BPCMs），以替代传统的PCMs。
生物基相变材料（BPCMs）的分类与特性
BPCMs源自可持续的天然资源，如动植物油脂，使其更具环境友好性。它们通常是非石蜡系有机化合物，主要分为酯类、脂肪酸、多元醇和低共熔混合物。BPCMs的储/放热温度范围宽（-75°C至175°C），具有污染小、碳足迹低、热物理稳定性好、无腐蚀性等特点。理想的BPCMs应具备高导热系数（K）、高潜热焓（ΔHm）、无过冷现象、高成核率、无毒性、无腐蚀性、化学稳定性好、成本低廉以及可持续性。
生物基与商业化纳米颗粒作为填料
为了克服BPCMs普遍存在的导热系数低等问题，通常需要添加高导热性的纳米颗粒。这些颗粒可分为金属基、碳基、陶瓷基和生物基纳米颗粒。生物基纳米颗粒可以从生物废弃物中合成，例如稻壳、竹壳、椰壳、核桃壳、小麦麸皮、菠萝皮等。它们通过直接碳化或热解等方法制备，形成多孔结构，有助于增强PCMs的导热性和光吸收性。
生物基相变材料复合物的制备与形态学分析
BPCM复合物的制备方法包括物理共混、直接浸渍、真空浸渍、超声处理以及微胶囊化等。其中，真空浸渍法和微胶囊化是常用的方法，旨在提高PCM的包封率并防止泄漏。通过扫描电子显微镜（SEM）对复合物进行形态学分析，可以观察到生物基填料（如改性粉煤灰、碳化木材、咖啡渣等）的多孔结构能够有效地吸附和固定PCM，形成稳定的三维网络结构，从而抑制PCM泄漏并增强热稳定性。
生物基相变材料热物理性质的批判性分析
对BPCMs热物理性质的深入研究至关重要。
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导热系数（K）：研究表明，添加生物废弃物衍生的纳米颗粒可以显著提高BPCMs的导热系数。例如，PEG/马铃薯生物炭复合物的导热系数达到了4.48 W/m·K，石蜡/sw-GS复合物的导热系数提升了1257%。其增强机制主要归因于生物炭的多孔结构提供了巨大的比表面积和额外的导热通路，以及填料与PCM分子之间强烈的界面相互作用，促进了声子传播。
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潜热（ΔHm）：添加填料通常会导致BPCMs的潜热值下降，这主要是由于单位质量内PCM的含量减少，以及填料本身不贡献潜热。潜热的下降幅度需控制在10%-20%以内，以保持有效的储能密度。大多数研究的BPCMs潜热值仍能保持在65 J/g以上，部分复合物如PEG/枣核生物炭（Jujube pit biochar）的潜热甚至有所提升（18.58%）。
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熔点（Tm）：生物碳和生物废弃物纳米颗粒的加入通常不会显著改变PCM的熔点，仅在小范围内波动（约±120%）。熔点的选择需与具体应用的环境温度相匹配，理想的TES应用熔点范围在-20°C至120°C之间。
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热稳定性：生物废弃物颗粒（如木材、椰壳）的三维多孔结构可以物理封装PCM分子，防止其蒸发和热降解。填料与PCM之间形成的氢键和范德华力也限制了分子迁移，提高了复合物的最终分解温度。例如，1-十四烷醇/木材复合物在经过热循环后表现出95%的热稳定性提升。
生物基相变材料在热能储存管理中的障碍
尽管BPCMs前景广阔，但其在TES中的应用仍面临一些障碍。这包括原材料（尤其是食品级材料）的可获得性及其可能引发的食品安全问题；需要对BPCMs进行全面的生命周期评估（LCA）以量化其真实的环境影响；BPCMs的长期热稳定性和循环耐久性数据尚不充分；先进的封装技术（如微胶囊化）的成本较高；以及相关的建筑规范和防火安全标准有待完善。
生物基相变材料环境影响的评估
对BPCMs进行全面的生命周期评估（LCA）至关重要，应涵盖从原材料提取、生产、使用到废弃的整个链条。BPCMs源于可再生资源，具有减少碳足迹和促进循环经济的潜力。其在建筑节能、温度控制等领域的应用有助于提高能源效率，减少温室气体排放。然而，其环境影响很大程度上取决于原材料来源、生产工艺和使用场景。政策的支持和市场激励措施将加速BPCMs的推广和应用。
结论与未来展望
生物基相变材料（BPCMs）作为传统相变材料的可持续替代品，在热能储存领域展现出巨大的应用潜力。它们具有良好的热化学稳定性、环境友好性和经济性。利用生物废弃物作为填料或支撑基质，可以有效改善BPCMs的导热性和形状稳定性。未来的研究应侧重于：开发更先进的生物废弃物颗粒制备技术以控制粒径和均匀性；深入进行BPCMs的生命周期评估和环境效益分析；系统研究其长期热稳定性和循环性能；探索低成本高效的封装技术；以及建立完善的BPCMs热物性数据库。通过有效介质理论（EMT）等模型预测复合物的有效性质，也将为材料设计提供指导。最终目标是推动高性能、低成本、环境友好的BPCMs实现大规模商业化应用，为全球可持续能源发展做出贡献。
