太阳能、风能等清洁能源资源丰富，但由于其间歇性和波动性，大规模高效利用始终受制于储能技术。如何实现高效、稳定的能量存储，一直是能源领域的重要研究方向。然而，现有储能技术在应对高温应用场景时，仍面临诸多挑战。在冶金及光热发电等高温应用场景中，传统中低温相变材料难以满足需求。高温熔盐虽具备较高储热密度和良好热稳定性，但与石墨烯气凝胶之间界面润湿性较差，接触角约为102°。论文通讯作者封伟比喻说，这就好比水倒在油的表面上难以铺展一样，熔盐难以通过常规浸渍或物理渗透方法均匀复合到石墨烯骨架中，容易导致熔盐泄漏及分布不均，从而影响整体性能。
近日，天津大学封伟教授团队研制出一种新型高温复合相变材料。提出界面调控策略，在氧化石墨烯与三元共晶盐（LiF–NaCl–Li2CO3）体系中引入聚乙二醇（PEG）作为界面调控剂，通过其桥接作用改善两相之间的相容性。在80 ℃条件下搅拌形成均一凝胶体系，随后经液氮定向冷冻、冷冻干燥及高温退火处理，构建出稳定的石墨烯气凝胶-熔盐复合结构。退火过程中PEG被去除，熔盐被有效限制于石墨烯多孔骨架内部。实现531.1 J/g 的相变焓、25 秒内升至 550 ℃的超快光热响应、91.6% 的光热转换效率，50 次热循环后仍保留93.0%的初始潜热，有效解决熔盐与石墨烯界面润湿性差、盐泄漏、高温稳定性不足的行业难题，该方法可拓展至多种熔盐体系，在太阳能储能、聚光光热系统、航空航天等高温储能场景具备重大应用潜力。
研究成果以“Graphene Oxide-Molten Salt Composite Material for High-Temperature Photothermal Phase Change Energy Storage”为题，发表于《Advanced Functional Materials》期刊。
图1 石墨烯醇盐复合材料的PEG辅助制造、退火循环演变和太阳能储能的示意图：（a）PEG辅助复合材料的形成克服了氧化石墨烯和无机盐之间的内在不相容性；（b）退火和热循环驱动受限石墨烯结构内的晶粒演化；（c）太阳能热能储存、热量释放和潜在应用场景
图2 不同制备和循环阶段GA/MS的SEM图像（a-e）、放大图（a1-e1）、光学照片（a2-e2）和元素图谱（f）：（a）GA/MS-P前体，（b）PEG去除后的GA/MS，（c-e）5、15和50次热循环后的GA/MS，以及（f）初始和50次循环样品之间的元素图谱比较
图3 GA/MS复合材料的特征：（a）50次热循环前后GA/MS样品的BET表面积和孔结构；（b）GO/MS-P、GO/MS和第五、15和50次热循环后的样品的XRD图；（c）GO/MS-P、GO/MS和循环样品在第五、第十五和第五十次循环后的FTIR光谱；（d）调查GA/MS复合材料的XPS光谱；GA/MS复合材料的（e）F1s、（F）Cl2p、（g）Li1s、（h）O1s和（i）C1s的高分辨率XPS光谱；（j-l）熔融盐和石墨烯气凝胶表面之间的接触角
图4 GA/MS复合材料的热循环行为和光热相变性能：（a）不同热循环后GA/MS和纯MS的熔融峰；（b）不同热循环后GA/MS和纯MS的结晶峰；（c）热循环过程中熔融和结晶的峰位和半峰全宽（FWHM）的演变；（d）GA/MS、石墨烯气凝胶（GA）和LiF-Li₂CO₃-NaCl共晶盐（MS）的UV-vis-NIR吸收光谱；（e）GA/MS在模拟太阳照射下的表面温度和光热转换功率随时间的变化；（f）光照下GA/MS光热驱动相变过程的示意图；（g）GO/MS-P的TG曲线；（h）GA、MS、GA/MS和GA/MS-50的导热系数；（i）GA/MS、GA/SS-PEG和GA/SS样品在重复热循环过程中的熔融和结晶焓比较
图5 不同光热驱动条件下GA/MS复合材料的数值模拟结果：（a，b）3 W/cm²恒定光照下40秒和100秒的温度场；（c–f）全熔过程中相分数场的演变；（g）a-f中加热和相变过程对应的温度-时间曲线；（h）利用Tibet工布江达县4月典型太阳辐射数据进行的日热-冷却和相变模拟（8:00~18:00照明，夜间自然冷却）。红色和蓝色曲线分别表示加热和冷却阶段。插图显示了代表性时间点的温度场和相场的演变
图6 GA/MS复合材料的形态、光热性能和多功能性演示：（a）通过太阳能聚光器加热GA/MS复合物的示意图；（b）太阳能聚光器设置；（c）太阳辐照度、集中太阳辐照度和样品表面温度测量；（d）太阳能集中度测量装置；（e）应用于斯特林发动机的GA/MS示意图；（f）隔热原型；（g）光热测量装置示意图；（h）采用GA/MS的α型斯特林发动机装置；（i）α型斯特林发动机在0.5 g GA/MS（3.6 W/cm²）激光照射下的转速-时间曲线；（j）由5 g GA/MS驱动的β型斯特林发动机的转速-时间曲线（3.6 W/cm²，照射30分钟）；（k）显示温度分布的红外热图像
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