《Energy》：Fabrication of high-performance open-cell geopolymer phase change composites using waste cyanobacterial powder and their application in smart passive thermal management
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摘要：蓝藻水华残留物的高值化利用仍面临挑战，因为不当处置可能导致二次污染。本研究以干燥蓝藻粉末（CBP）作为牺牲造孔模板，以燃煤粉煤灰（CFA）作为硅铝前驱体，通过碱激活制备开孔多孔地聚合物（OCPGs）。经配方优化后，最优OCPG的开放孔隙率为64.13 ± 0.83%，导
摘要：
蓝藻水华残留物的高值化利用仍面临挑战，因为不当处置可能导致二次污染。本研究以干燥蓝藻粉末（CBP）作为牺牲造孔模板，以燃煤粉煤灰（CFA）作为硅铝前驱体，通过碱激活制备开孔多孔地聚合物（OCPGs）。经配方优化后，最优OCPG的开放孔隙率为64.13 ± 0.83%，导热系数为0.138 ± 0.003 W/(m·K)，抗压强度为4.08 ± 0.07 MPa。随后通过真空浸渍将癸酸（CA）引入最优多孔骨架中，制备出优化型形稳相变复合材料，记为OCPG-C。CA浸渍使导热系数从0.138提升至0.690 W/(m·K)，而OCPG–C的熔化潜热达到97.7 J/g。互连孔隙网络有效约束了熔融态CA，使其在150次热循环中的累计质量损失低于2%，热性能保持相对稳定，表明在测试循环范围内具有良好的热可靠性。模型房屋实验表明，掺入OCPG-C的墙体可减缓室内温度波动，并使室内最高温度比室外峰值温度低约8–10 °C。EnergyPlus模拟进一步表明，内层布置有助于增强冬季蓄热效果，外层布置提供最强的夏季隔热性能，而中层布置则实现了最佳的全年综合热性能。这些发现表明，废弃蓝藻生物质可作为有效的牺牲模板用于构建相变储能框架，为蓝藻废弃物高值化利用和节能建筑被动式热管理提供了一条可持续途径。
引言
蓝藻是水体富营养化的常见后果，由于生长速度快、环境耐受性强，往往在水体环境中占据主导地位，导致蓝藻水华[1]、[2]、[3]。蓝藻水华不仅严重破坏水生环境和生态系统，还对粮食安全和公共健康构成严重威胁[4]、[5]。目前，蓝藻主要通过人工打捞处理，但回收的生物量往往被囤积堆放[6]、[7]。长时间存放可引发有机质分解并释放营养物质和毒素，可能通过渗滤液浸润和大气温散导致二次环境污染[8]、[9]、[10]、[11]。
以往研究主要将活性蓝藻引入水泥基材料中以利用其生物活性[12]、[13]、[14]。通过代谢调控和生物矿化，蓝藻可诱导碳酸钙沉淀，从而提高基体致密性、力学性能和耐久性[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。例如，Sidhu等人证明了蓝藻掺入混凝土的环境和力学效益[18]；Zhu等人则表明活性蓝藻可促进方解石沉淀并降低水泥基材料的吸水率[19]。这些研究主要将蓝藻视为功能微生物，其生物活性对材料性能做出贡献。除了生物功能之外，非活性蓝藻生物质还具有可能用于材料制备的结构性特征。干燥蓝藻粉末呈现疏松、多孔、纤维状的形态，其胞外聚合物可吸水膨胀，从而影响孔隙发育和孔隙曲折度。这些特征使蓝藻生物质成为轻质多孔材料潜在的生物基造孔模板[20]、[21]。然而，蓝藻生物质主要由有机质组成，缺乏碱激活所需的活性Si–Al组分。燃煤粉煤灰（CFA）富含硅铝酸盐组分并具有火山灰活性，因此可作为地质聚合反应的活性前驱体[22]、[23]、[24]。将CBP与CFA结合使用，既可以利用蓝藻废弃物的结构特征，又能维持稳定地质聚合框架的形成。与以往依赖活性蓝藻及其生物矿化活性的研究相比，本研究利用的是干燥的非活性蓝藻生物质，仅发挥其物理造孔特性。
随着能源需求的不断增长，可持续能源的开发与利用逐渐受到研究者的广泛关注[25]、[26]、[27]。相变材料（PCMs）可在相对稳定的温度下发生相变，具有高潜热储存能力，能有效缓解可再生能源供需之间的时空不匹配问题，从而提高能源利用效率并促进可再生能源的集成[28]、[29]、[30]、[31]。相变材料通过相变储存和释放大量热能，因而具有优异的蓄热和温度调节能力[32]、[33]。其中，有机相变材料具有成本较低、密度较低、潜热较高、相变温度适宜以及热稳定性良好等优点，同时表现出良好的生物相容性和化学相容性[34]、[35]、[36]。然而，尽管有机相变材料具有上述优点，在实际应用中仍存在泄漏和体积变化问题。形稳化是解决相变过程中泄漏、体积膨胀和腐蚀问题的关键技术。形稳相变材料的制备方法是将其引入多孔支撑材料或聚合物基体中，相变材料通过毛细力、表面张力或化学键合作用被吸附或约束在微观孔隙中。因此，即使在相变过程中，相变材料仍被束缚在骨架内而不会流动。此外，该方法还结合了高储能密度、优良的形稳性和增强的导热系数。因此，同时利用CFA和CBP制备开孔地聚合物作为形稳相变材料的骨架，不仅可以有助于解决固体废物处置问题，还能创造出性能优越的新型建筑材料。
本研究以蓝藻和CFA组成的二元体系制备开孔结构的孔隙地聚合物，作为形稳相变材料的骨架。随后通过真空浸渍将癸酸（CA）引入蓝藻–CFA基孔隙地聚合物中，制备形稳相变复合材料，统称为CCSC。下文以CCSC作为CA浸渍复合样品样本的统称，而OCPG-C特指采用OCPG骨架制备的优化复合材料。对所得复合材料的力学、化学、热学及调温性能进行了综合评估。本研究不仅为蓝藻的高值化利用提供了一条新途径，还有效解决了固–液态相变材料在相变过程中的泄漏问题。
章节摘要
原材料
蓝藻采集自中国安徽省巢湖。经过脱水和破碎处理后，蓝藻生物质被加工为蓝藻粉末（CBP）。燃煤粉煤灰（CFA）购自中国巩义远恒水处理材料厂。将CBP和CFA干燥、破碎并在105 °C下烘箱干燥，随后研磨并通过100目筛网过筛。水玻璃溶液（SiO2 30%，Na2O 13.5%）购自兴河乾材料有限公司。
原材料表征
本研究对CBP和CFA的物理化学性质进行了表征。根据表S3中的XRF结果，CFA中SiO2和Al2O3的总含量超过80%，表明CFA是适合制备地质聚合物的前驱体。如图S2a–d所示，CBP呈现不规则团聚结构，表面粗糙且不均匀。这种多孔疏松的形态可归因于蓝藻细胞及其胞外聚合物的聚集和沉淀。
结论
本研究利用CBP和CFA成功开发出一种适用于建筑应用的新型CCSC体系。通过参数优化，最优OCPG样品的开放孔隙率为64.13%，导热系数为0.14 W/(m·K)，抗压强度为4.08 MPa。通过真空浸渍制备的OCPG-C复合材料表现出良好的热性能，熔化焓为97.7 J/g，导热系数为0.69 W/(m·K)。其潜热和相变温度在……
作者贡献声明（CRediT）
钱骏：写作–审阅与编辑，调查研究。宋文博：写作–审阅与编辑，调查研究。王艳：写作–审阅与编辑，写作–初稿，验证，方法论，概念构思。杜龙：写作–审阅与编辑，写作–初稿，验证，方法论，概念构思。邓睿：写作–审阅与编辑，指导，概念构思。李伟：指导，调查研究，形式分析。岳正波：指导，调查研究，形式分析。
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（批准号：42507626）、安徽省工业废水处理与资源化利用重点实验室（批准号：DHSZ202409）、生态环境部重金属污染物监测重点实验室开放基金（批准号：KLMHM202528）以及青海省重点研发与成果转化计划项目（批准号：2025-OY-246）的资助。
杜龙|王艳|宋文博|钱骏|梅红|李辰|岳正波|李伟|邓睿
合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009，中国
