《Sustainable Materials and Technologies》：Polyacrylamide-based photo-thermal phase change hydrogel for solar interface evaporation
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陈曦|段子涵|胡飞翔|李健|杨少明|张佳丽|赵吉|徐文渊|刘永新中国人民共和国南昌市330013，华东交通大学材料科学与工程学院摘要基于有机相变材料的潜热储存技术不仅能有效解决太阳能的固有缺陷，还能将太阳能转化为热能并储存起来，为其在太阳能利用系统中的实际应用提供了可能。为解决有
陈曦|段子涵|胡飞翔|李健|杨少明|张佳丽|赵吉|徐文渊|刘永新
中国人民共和国南昌市330013，华东交通大学材料科学与工程学院
摘要
基于有机相变材料的潜热储存技术不仅能有效解决太阳能的固有缺陷，还能将太阳能转化为热能并储存起来，为其在太阳能利用系统中的实际应用提供了可能。为解决有机相变材料与水凝胶之间兼容性差、易泄漏的问题，本研究制备了一种具有高光热效率的水凝胶相变复合材料（PCM@PAM@PDA），用于太阳能界面蒸发。研究中采用改性C-22颗粒作为相变储能材料，使复合材料具备较高的潜热容量，能够储存太阳能热能，并在光照中断时持续蒸发。聚丙烯酰胺水凝胶不仅可作为相变材料的防漏基质，还含有大量亲水基团，有助于快速输送水分并降低水蒸发焓值。多巴胺则作为光热转换材料，吸收太阳能并将其转化为热能，驱动界面处水分子蒸发。所制备的C-22@PAM@PDA复合水凝胶具有47.7 J/g的相变焓值，同时还具备优异的形状保持性、热物理性能、机械柔韧性以及环境适应性。在1标准太阳辐照度下，基于该水凝胶的蒸发器可实现1.69 kg/(m2·h)的蒸发速率。在60分钟光照 followed by 60分钟黑暗的测试条件下，其与不含C-22相变材料的对照组相比，产水量显著增加，进一步证明了其通过储热-放热的时间调控实现黑暗期持续产水的能力。本研究为相变材料的封装以及相应复合相变材料的设计与制备提供了思路，对太阳能热能储存和太阳能海水淡化领域中相变材料的应用具有重要的推动和参考价值。
引言
人类社会工业和经济的发展伴随着煤炭、石油和天然气等化石能源的大量消耗。由此带来的能源短缺、环境污染和全球变暖等问题日益突出[1]。因此，亟需调整能源结构，开发利用新型清洁能源，以减轻环境压力。太阳能具有来源广泛、清洁无污染且易于收集等优点，是一种具有巨大应用潜力的可再生能源。除了光伏发电外，太阳能的光热转换和热能储存也是利用太阳能的有效途径。然而，太阳能具有间歇性特点，这大大限制了其利用效率[2]、[3]、[4]。
基于相变材料的潜热储存系统可以有效缓解阳光充足时的间歇性问题。相变材料是一类能够在相变过程中在恒定温度下吸收或释放大量潜热能量的化学物质，且具有较高的熔化和凝固热值。由于其高能量密度，相变材料非常适合用于储存太阳能热能，为解决太阳能的间歇性问题提供了方案，引发了国际上的广泛研究[5]、[6]。相变材料通常分为四类：液气型、固气型、固固型和固液型。液气型和固气型相变材料由于相变过程中体积膨胀明显而不实用，而固固型相变材料由于相变焓值较低，应用范围有限[7]、[8]。相比之下，固液型相变材料具有更高的相变焓值、适宜的相变温度以及较低的成本，是目前应用最广泛的相变材料。不过，固液型相变材料在熔化后会变成流体，容易泄漏，因此需要开发新的光热储能系统来提升其适用性[9]、[10]。
通过吸附或聚合反应将固液型相变材料封装在多孔材料或聚合物基质中而制成的形状稳定型相变材料目前备受关注，并且发展迅速[11]、[12]。诸如石蜡、脂肪酸和长链烷烃之类的有机固液型相变材料可以被封存在吸附材料（如金属泡沫、生物炭）的多孔结构中，或者通过单体聚合形成的聚合物网络中[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。这种封装方式既解决了传统相变材料的泄漏问题，又保持了其较高的热能储存能力。此外，还可以在形状稳定型相变材料中加入各种功能性填料，以提升其导热性和光热转换效率等性能[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。
水凝胶作为一种新近发展的三维多孔网络结构，因其在个人体温调节、电子冷却和能量储存等诸多领域的潜在应用而受到重视。近年来，水凝胶独特的膨胀特性、生物相容性以及可调控性使其成为相变材料的理想载体，能够实现稳定可控的相变过程，满足不同场景下的能量储存与释放需求[25]、[26]。在各类水凝胶体系中，聚丙烯酰胺水凝胶因其优异的亲水性、可控的交联网络以及出色的封存和稳定相变材料的能力，被视为最具潜力的相变材料载体[27]。为了进一步提升基于聚丙烯酰胺水凝胶的相变材料复合材料的太阳能光热转换性能，人们通常会通过引入光热材料来改性聚丙烯酰胺水凝胶，从而构建兼具光热转换和相变储能功能的复合水凝胶。例如，胡等人将含水盐相变材料与光热纳米粒子混合到聚丙烯酰胺水凝胶中，制得了潜热高达200.3 J/g、光热转换效率达95.5%的复合材料[28]。郑等人则利用聚丙烯酰胺作为基质，墨水作为光热转换材料，N-二十烷基@TiO?微胶囊作为相变材料，开发出一种新型双层水凝胶，用于构建高效连续的水凝胶蒸发器以实现海水淡化[29]。上述研究表明，作为相变材料载体的聚丙烯酰胺水凝胶在建筑节能、太阳能利用和热量管理等领域具有广阔的应用前景。然而，目前用于聚丙烯酰胺水凝胶中的相变组分仍存在诸多局限性。例如，直接添加有机固液型相变材料会导致界面兼容性差、混合时易团聚，以及在高温下易溶解丢失等问题。虽然添加相变微胶囊可以有效地防止泄漏，但其致密的壳结构会阻碍水凝胶内部的水分传输，而且制备过程复杂、成本较高。相比之下，添加无机盐型相变材料则容易在水凝胶内部引发结晶和团聚现象，进而破坏水凝胶的三维网络结构。
鉴于上述研究现状及存在的问题，本文提出通过聚乙烯醇乳液分散结合低温淬火法制备C-22颗粒，以提高C-22与聚丙烯酰胺水凝胶之间的界面兼容性，实现相变组分的均匀分散。随后，将这些C-22颗粒原位封装在聚丙烯酰胺的三维亲水网络中，利用网络约束效应防止C-22泄漏。最后，通过浸渍法促使多巴胺发生氧化自聚反应，将光热单元选择性地负载在水凝胶表面层，从而构建出具有协同作用的集成结构。本文系统研究了C-22加载量对复合水凝胶微观形态、相变性能及力学性能的影响。此外，以太阳能驱动的界面水蒸发作为应用模型，对比研究了其在连续光照和间歇光照条件下的蒸发性能，阐明了相变储能提升持续蒸发能力的机制。这项研究将为设计高效稳定的全天候实用太阳能蒸发器材料提供新的思路和实验依据。
章节摘录
材料
N-双十八烷（C-22，纯度98%）和聚乙烯醇（PVA，酒精溶解度：98.0–99.0 mol%，粘度：3.2–3.8 mPa.s）购自上海麦克林生化科技有限公司；分子量为146,000-186,000、水解度高于99%的AM，盐酸多巴胺（DA，纯度99%+HPLC），三羟甲基氨基甲烷（Tris，纯度99%）以及N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA，纯度≥99%）购自上海亚当斯泰坦科技有限公司。过硫酸钾（KPS，纯度99.5%）亦为购买所得。
制备、形态与结构
聚丙烯酰胺水凝胶是通过化学交联形成的亲水性三维交联聚合物网络。其独特的膨胀特性、兼容性以及可调控性使其成为相变材料的理想载体。为确保C-22在聚丙烯酰胺水凝胶中均匀分散，本实验中将熔融的C-22与5 wt%的PVA混合后分散在冷水中，以此制备出可供后续使用的C-22颗粒。在制备聚丙烯酰胺水凝胶的过程中，首先进行预聚合反应，
结论
利用相变材料进行潜热储存已被公认为是克服太阳能自然间歇性的有效技术手段。然而，绝大多数相变材料在相变过程中都会出现严重的形状变形和流动泄漏现象，这给其实际工程应用带来了很大挑战。此外，原始相变材料的光热转换能力本身较低，无法直接实现
CRediT作者贡献说明
陈曦：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，资金获取，概念构思。段子涵：写作——初稿撰写，软件应用，方法设计，实验研究，数据整理。胡飞翔：结果验证，实验研究，定量分析，数据整理。李健：实验研究，数据整理。杨少明：项目监督，概念构思。张佳丽：项目监督，概念构思。赵吉：软件应用，方法设计。徐文渊：项目监督，项目管理工作协调。刘永新：写作
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了江西省自然科学基金的支持（项目编号：20224BAB213029和20232BAB203036）。
