一种气凝胶固液相变复合泡沫材料、其制备方法及应用

本发明属于纳米材料及纳米，具体涉及一种气凝胶固液相变复合泡沫材料及其制备方法及应用。

背景技术：

1、气凝胶的产生起源于上世纪三十年代，由美国加州太平洋大学化学家sterven.s.kistler无意中发明的一种物质，俗称“冷冻烟雾”，将硅胶中的水提取出来，然后用诸如二氧化碳之类的气体取代水的方法制成的。经过八十多年的发展，气凝胶材料已逐步实现商业化，在诸多领域有着重要的应用。

2、相变储能材料的潜热储存对于周围环境、太阳能及机车或电子器件所产生废热的利用，是一种最为可行的方法。有机固-液相变材料具有宽的相变温度范围、稳定的化学性质、高潜热、价廉等优点。然而由于其低热/电导率、泄露等问题限制其应用。寻找合适的支架材料并赋予相变储能材料以高的热/电导率、良好的形状稳定性及高的相变焓，是尤为重要的。传统的相变储能材料，多以大型设备容器封闭或大尺寸、块体的支架材料应用于相变储能材料。

3、目前，金属泡沫、碳气凝胶、石墨烯气凝胶、碳纳米管海绵及碳纳米管阵列等多孔材料被用于有机相变储能材料的研究中，赋予其优异的电/热导率，并可光或电驱动进行热能转换与储存。气凝胶自身多孔结构具有显著毛细作用力，其自身骨架具有丰富的理化性质与功能特征，可作为理想基体实现高性能、多功能复合材料的设计与制备，尤其是针对固-液相变复合材料。传统气凝胶相变固液复合材料不仅可以克服相变材料自身熔融态泄露等问题，还可赋予其良好的导热性、光/电-热转化与存储能力(j.mater.chem.a，2016，4，17042)。传统的合成方案为：将气凝胶浸渍在熔融态相变材料中，在毛细作用力辅助下，熔融态相变材料自发进入到纤维的多孔网络中，排除气凝胶网络中的空气，占据原有的孔结构，实现对气凝胶多孔通道的填充，该过程类似“海绵吸水”，如已公开专利cn113969142a、

4、然而，传统固液相变材料的现有复合填充过程为自发行为，存在一定不可控性。一般而言，熔融态相变流体完全占据气凝胶孔结构，从而实现高的相变材料填充料，且最终所得相变复合材料密度与纯相变材料接近，具有较高的体密度。如何实现气凝胶相变材料的选择性填充复合，并赋予其兼具轻质、高储能密度、低导热等特性，仍难以实现。因此，轻质气凝胶相变复合材料的控制合成仍是一个挑战。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种气凝胶固液相变复合泡沫材料及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

2、本发明的另一目的还在于提供所述气凝胶固液相变复合泡沫材料的应用。

3、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

4、本发明实施例提供了一种气凝胶固液相变复合泡沫材料，其包括：石墨烯气凝胶固液相变复合结构及气泡孔结构，所述石墨烯气凝胶固液相变复合结构作为气泡孔结构的壁，包裹气泡孔结构，所述气泡孔结构相对孤立的分散在石墨烯气凝胶固液相变复合结构内，所述气泡孔结构为微米级、规则球形、相对孤立的气泡孔结构；

5、所述石墨烯气凝胶固液相变复合结构包括石墨烯泡沫气凝胶及固液相变材料，所述石墨烯泡沫气凝胶具有连续互穿的三维纳米多孔网络结构，所述固液相变材料填充于石墨烯泡沫气凝胶的三维纳米多孔网络结构的孔道内，部分所述固液相变材料与石墨烯形成纳米级别互穿的复合结构，部分所述固液相变材料在气泡孔壁表面形成均匀、连续的大尺寸片晶结构。

6、本发明实施例还提供了一种气凝胶固液相变复合泡沫材料的制备方法，其包括：

7、使氧化石墨烯液晶、发泡剂、还原剂均匀混合进行均匀发泡，形成混合溶液，之后加热，静置，获得石墨烯泡沫水凝胶，再溶剂置换和干燥，制得石墨烯泡沫气凝胶，所述石墨烯泡沫气凝胶具有多级孔结构，包括微米级、规则球形、相对孤立的气泡孔结构与三维连续互穿的石墨烯多孔网络结构，所述气泡孔结构均匀分散于石墨烯多孔网络结构中；

8、以熔融填充或溶液填充的方式，使固液相变材料进入石墨烯泡沫气凝胶的石墨烯多孔网络结构的孔道内，获得气凝胶固液相变复合泡沫材料。

9、本发明实施例还提供了由前述制备方法制得的气凝胶固液相变复合泡沫材料。

10、本发明实施例还提供了前述的气凝胶固液相变复合泡沫材料于高效光热转换与存储、热调制与隔热一体化领域中的应用。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

12、本发明提供的气凝胶固液相变复合泡沫材料以石墨烯泡沫气凝胶作为基体，借助气凝胶三维多孔结构与“气泡”孔结构在尺寸、形态及毛细作用力的差异，实现熔融态相变材料在石墨烯泡沫气凝胶孔结构内的选择性填充，仅填充气凝胶孔结构，保留气泡孔结构，获得轻质石墨烯气凝胶相变复合泡沫，该石墨烯气凝胶相变固液复合泡沫表现出高相变焓值、良好的隔热-保温-热调控及光热转化与存储性能，能够为制备新型轻质相变储能复合材料提供新思路。

技术特征：

1.一种气凝胶固液相变复合泡沫材料，其特征在于，包括：石墨烯气凝胶固液相变复合结构及气泡孔结构，所述石墨烯气凝胶固液相变复合结构作为气泡孔结构的壁，包裹气泡孔结构，所述气泡孔结构相对孤立的分散在石墨烯气凝胶固液相变复合结构内，所述气泡孔结构为微米级、规则球形、相对孤立的气泡孔结构；

2.根据权利要求1所述的气凝胶固液相变复合泡沫材料，其特征在于：所述气泡孔结构所含孔的直径为10μm～1mm；和/或，所述气泡孔结构具有规则、光滑、密闭的曲面形貌；和/或，所述固液相变材料为由微小晶粒及均匀连续的高取向结晶的晶体片层结构；优选的，所述微小晶粒的粒径小于1μm，所述晶体片层结构的尺寸为10～1000μm。

3.根据权利要求1所述的气凝胶固液相变复合泡沫材料，其特征在于：所述气凝胶固液相变复合泡沫材料的相变焓值为10～400j/g，相变温度为10～150℃，热导率为0.05～0.5w/mk，密度为0.1～0.8g/cm3，优选为0.3～0.6g/cm3，光吸收效率为10～99％，优选为75～98％。

4.根据权利要求1所述的气凝胶固液相变复合泡沫材料，其特征在于：所述气凝胶固液相变复合泡沫材料中固液相变材料的含量为20～99wt％；

5.一种气凝胶固液相变复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯液晶的浓度为1～20mg/ml；和/或，所述发泡剂包括烷基糖苷水溶液、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述还原剂包括抗坏血酸、抗坏血酸钠、氢碘酸中的任意一种或两种以上的组合；

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，包括：于常压或真空环境、选定温度下，将所述石墨烯泡沫气凝胶浸渍在熔融态固液相变材料或固液相变材料溶液中，使固液相变材料填充石墨烯泡沫气凝胶的石墨烯多孔网络结构的孔道内，获得所述气凝胶固液相变复合泡沫材料；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，包括：将石墨烯泡沫气凝胶与固液相变材料于常压或真空环境下，同时加热到30～200℃，使熔融态固液相变材料在毛细作用力的驱动下，逐渐进入石墨烯多孔网络结构的孔道内部，实现固液相变材料的熔融浸渍填充，维持0.5～24h，获得气凝胶固液相变复合泡沫材料；

9.由权利要求5-8中任一项所述制备方法制得的气凝胶固液相变复合泡沫材料。

10.权利要求1-4、9中任一项所述的气凝胶固液相变复合泡沫材料于高效光热转换与存储、热调制与隔热一体化领域中的应用。

技术总结
本发明公开了一种气凝胶固液相变复合泡沫材料、其制备方法及应用。所述气凝胶固液相变复合泡沫材料包括石墨烯气凝胶固液相变复合结构及气泡孔结构，所述石墨烯气凝胶固液相变复合结构包括石墨烯泡沫气凝胶及固液相变材料，固液相变材料填充于石墨烯泡沫气凝胶的三维纳米多孔网络结构的孔道内，固液相变材料一部分与石墨烯形成纳米级别互穿的复合结构，另一部分在气泡孔壁表面形成连续的大尺寸片晶结构。本发明借助石墨烯泡沫气凝胶的多结构形态，实现相变材料在石墨烯泡沫气凝胶孔道内的选择性填充，获得轻质石墨烯气凝胶相变复合泡沫，表现出高相变焓值、良好的隔热‑保温‑热调控及光热转化与存储性能，可作为一种新型轻质相变储能复合材料。

技术研发人员：张学同,李广勇
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23