《Results in Engineering》：Thermo-Mechanical Performance and Techno-Economic Assessment of Lightweight Cement Mortar Incorporating a Coconut Shell Activated Carbon/PCM Composite for Thermal Energy Storage
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本研究提出了一种可持续、防泄漏、形状稳定的复合相变材料（PCM），用于热能储存（TES），通过将基于癸酸和肉豆蔻酸的生物基共晶相变混合物（EPCM）掺入从废弃椰子壳中提取的多孔活性炭（ACcs）中制成。所得ACcs/EPCM复合物以不同比例（10-30 wt%
本研究提出了一种可持续、防泄漏、形状稳定的复合相变材料（PCM），用于热能储存（TES），通过将基于癸酸和肉豆蔻酸的生物基共晶相变混合物（EPCM）掺入从废弃椰子壳中提取的多孔活性炭（ACcs）中制成。所得ACcs/EPCM复合物以不同比例（10-30 wt%）嵌入水泥砂浆中，以制造热性能增强的建筑材料。研究人员进行了全面测试，以评估复合PCM的相变特性，以及ACcs/EPCM掺入砂浆的化学、微观结构、物理、机械、热和热物理表征，以及热调节性能评估。差示扫描量热法（DSC）分析显示，ACcs/EPCM具有21.8°C的熔融温度和32.5 J/g的潜热容量，且热循环稳定性高。傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果证实了ACcs/EPCM在水泥砂浆内具有良好的化学兼容性，热重分析（TGA）表明其在降解温度（<150°C）以下具有足够的热稳定性。用复合PCM替代砂浆中30 wt%的砂，显著增强了其热绝缘性能，使热导率降低33%，热扩散率降低26%。另一方面，这一改性导致抗压强度下降75.3%，吸水率从7.6%增加至24.7%。此外，通过压汞法（MIP）评估水泥砂浆的孔径分布，发现掺入30 wt% ACcs/EPCM后，临界孔径从2.46 μm降至1.86 μm，总孔隙率增加36.8%。此外，对掺入ACcs/EPCM的水泥砂浆进行的技术经济分析显示，其投资回收期约为2.33年，令人鼓舞。
**论文解读：掺入椰子壳活性炭/相变材料复合物的轻质水泥砂浆的热-机械性能及技术经济评估**
**研究背景与问题**
全球建筑领域能耗占比较大，其中供暖与制冷需求尤为突出。为提升建筑能效，将相变材料（PCM）集成至建筑材料中可被动调节室内温度，减少暖通空调系统负荷。然而，有机PCM（如脂肪酸）存在泄漏、热导率低及形状稳定性差等问题。形状稳定化技术通过多孔载体吸附PCM可有效解决泄漏，但现有载体多依赖商业活性炭、膨胀石墨等合成材料，成本高且环境可持续性不足。同时，农业废弃物（如椰子壳）的处置构成环境挑战，将其转化为活性炭（ACcs）作为PCM载体，既可实现废物资源化，又能降低材料成本。目前，尚缺乏系统研究评估ACcs作为生物基共晶PCM（EPCM）载体、并高掺量替代砂制备水泥砂浆时，同时考察热储存性能、孔隙演化、力学行为、热调节及经济可行性的综合研究。因此，本研究旨在开发一种基于椰子壳活性炭（ACcs）与生物基共晶PCM（ACcs/EPCM）的防泄漏复合物，并掺入水泥砂浆，以平衡热性能与力学性能，推动可持续建筑发展。
**研究内容与结论**
研究人员制备了ACcs/EPCM复合物，并以10%、20%、30%的质量比替代砂，制备了热增强水泥砂浆（TECM）。通过DSC、FTIR、TGA、SEM、MIP、Hot Disk及力学测试等手段，系统表征了复合PCM及砂浆的化学兼容性、微观结构、孔隙特征、物理力学性能、热物理性能及热调节能力。结果表明：ACcs/EPCM复合物熔融温度21.8°C，潜热32.5 J/g，热循环稳定性良好；与水泥基体化学兼容，热稳定性达150°C。掺入30%复合PCM后，砂浆热导率降低33%，热扩散率降低26%，但抗压强度下降75.3%，吸水率增至24.7%。MIP显示临界孔径减小，总孔隙率增加36.8%。技术经济分析表明，该砂浆初始投资约10.72 $/m2，预计年节电25-27.4 kWh/m2，投资回收期约2.33年，具有经济可行性。该研究为农业废物利用与建筑节能提供了创新方案，论文发表在《Results in Engineering》。
**主要技术方法**
研究人员采用真空浸渍法制备ACcs/EPCM复合物，将EPCM（癸酸-肉豆蔻酸共晶混合物，72.5:27.5 wt%）在80°C、3小时真空条件下浸渍至ACcs中，通过泄漏测试确定最优载量（80 wt%）。砂浆制备中，以CEM V/A 42.5R水泥、0/3 mm细砂（源自Calcestruzzi Cipiccia S.p.A.，意大利Narni）及ACcs/EPCM复合物，按水灰比0.75、砂灰比1混合，复合物替代砂比例为10-30 wt%。关键表征技术包括：DSC（NETZSCH DSC 214 Polyma）用于相变温度与焓值；FTIR（DRIFT模式）分析化学兼容性；TGA（NETZSCH STA 2500 Regulus）评估热稳定性；SEM（TES Vega 3）观察微观结构；MIP（Pascal 140/440）测定孔径分布与孔隙率；Hot Disk TPS 2500S（TPS法）测量热导率、热扩散率及比热容；力学测试按ASTM C109和C348进行抗压与抗折强度。
**研究结果**
**3.1 化学表征**
- **3.1.1 DRIFT分析**：FTIR光谱显示，ACcs/EPCM掺入后，在2950-2850 cm?1出现C-H伸缩振动峰（来自脂肪酸），1730 cm?1出现C=O峰，表明EPCM物理嵌入，未与水泥基体发生化学反应。水泥水化产物（C-S-H、Ca(OH)?）特征峰保持不变，表明复合PCM不影响水化进程。
- **3.1.2 DSC结果**：ACcs/EPCM熔融温度21.8°C（高于EPCM的20.5°C），熔融焓32.5 J/g，结晶焓32.6 J/g。经1000次热循环后，焓值仍保持31.2 J/g，显示良好循环稳定性，双峰现象归因于脂肪酸组分轻微变化。
- **3.1.3 TGA结果**：ACcs/EPCM在155°C以下热稳定，质量损失主要来自EPCM分解（155-219°C），残留质量约53%，表明ACcs有效保护PCM。
**3.2 微观结构表征**
- **3.2.1 SEM分析**：对照砂浆可见针状钙矾石网络；掺入复合PCM后，基体仍保持水化产物结构，但随PCM含量增加，PCM颗粒使界面过渡区（ITZ）弱化，导致力学性能下降。
- **3.2.2 MIP**：TECM-30%的临界孔径从2.46 μm降至1.86 μm，总孔隙率从22.8%增至31.2%，毛细管孔和宏观孔体积增加，归因于ACcs多孔性、填充密度降低及ITZ空隙。
**3.3 物理表征**
- 工作性：随复合PCM增加，需水量增加约5.8%（30%替代时），因ACcs高比表面积吸水。
- 体密度：从1129 kg/m3（对照）降至875 kg/m3（TECM-30%），降幅23%，满足轻质砂浆标准（<2000 kg/m3）。
- 吸水率：从7.6%（对照）升至24.7%（TECM-30%），因多孔结构增加。
**3.4 力学表征**
- **3.4.1 抗压强度**：28天抗压强度从26.7 MPa（对照）降至6.6 MPa（TECM-30%），降幅75.3%，归因于ACcs多孔性、弱ITZ及高孔隙率。但TECM-30%仍满足非承重应用要求。
- **3.4.2 抗折强度**：从0.66 MPa（对照）降至0.30 MPa（TECM-30%），降幅54.2%，因PCM颗粒引入内部缺陷。
**3.5 热表征**
- **3.5.1 TGA**：砂浆TGA显示，TECM-30%在150°C后质量损失增加，对应EPCM分解，但总体热稳定性良好。
- **3.5.2 Hot Disk测量**：热导率从0.64 W/mK（对照）降至0.43 W/mK（TECM-30%），降幅33%；热扩散率降低26%；比热容从0.82 kJ/kgK增至2.23 kJ/kgK。低热导率有利于隔热，但需平衡热交换速率。
**4 技术经济评估**
基于实验室规模，ACcs/EPCM复合物生产成本约4.01 $/kg，10 mm厚砂浆应用总成本约10.73 $/m2。按年节电25-27.4 kWh/m2、电价0.176 $/kWh计算，年节省4.4-4.8 $/m2，投资回收期2.33年，经济可行。
**总结与讨论**
**讨论部分总结**：研究人员指出，ACcs/EPCM掺入砂浆在非承重应用中（如建筑围护结构、内隔墙、抹灰）可提供有效热调节，同时维持可接受力学性能。与现有PCM增强砂浆相比，本方案通过废物利用提升可持续性，降低碳足迹。但研究局限性在于未直接量化硬化砂浆的可逆热储存能力，需未来开展动态热循环及热流测量。
**研究结论**：本研究提出了一种创新的椰子壳废物回收方法，用于制备形状稳定的生物基PCM复合物，并掺入轻质砂浆以实现建筑清洁能源与废物资源化。ACcs/EPCM复合物完全生物基，环保可行。随复合PCM含量增加，需水量增加，工作性降低；微观结构显示PCM均匀分布，但孔隙率增加；力学性能下降，但30%替代量仍满足非结构应用；热导率降低33%，热扩散率降低26%，比热容增加；技术经济分析显示投资回收期2.33年，总成本10.72 $/m2。TECM-30%在热与力学性能间取得良好平衡，更高掺量适用于涂层或填充应用。
