科学家们将海鲜废料转化为一种碳气凝胶，可在熔化过程中高储热且无泄漏。
一队材料科学家开发出一种生物基碳材料，有望解决热能存储中棘手的问题之一：材料熔化时的泄漏问题。这种新材料能高储热，同时即使在储热化物从固态转变为液态时也能保持其形状完好。该研究聚焦于相变材料，这类材料在熔化和凝固时会吸收和释放热量。
这些材料被广泛研究，应用于从建筑温控、太阳能存储到电子热管理等多个领域。然而，许多有机相变材料在熔化时会泄漏，限制了其耐用和实际应用。
为解决此问题，研究人员将目光投向了甲壳素——一种存在于甲壳类动物壳和真菌中的天然聚物。甲壳素储量丰富、可再生，且常作为废料被丢弃，这使其成为可持续材料工程领域一个颇具吸引力的候选者。在这项新研究中，科学家们将甲壳素转化为超轻气凝胶，然后将其碳化形成多孔碳框架。该结构被设计用作硬脂酸的载体。硬脂酸是一种常见的有机相变材料，以其高储热容量而闻名，但也存在持续的泄漏问题。
变废为碳
这种源自甲壳素的碳气凝胶具有高度互联的孔隙网络和大的孔体积。这些孔隙在物理上捕获熔融的硬脂酸，同时毛细管力和氢键作用可防止其在熔化过程中流出。通讯作者李辉（音译）表示：“我们的目标是设计一种低成本、环境友好的载体，能够容纳大量相变材料而不泄漏。甲壳素储量丰富、可再生，设备保温施工且天然富含氮。”
所得复材料多可按重量容纳60%的硬脂酸，而不会出现可见泄漏。即使硬脂酸熔化，整体结构仍保持固态，这解决了许多有机相变系统面临的主要挑战。热测试表明，该复材料的熔化焓达到约118焦耳/克，该数值高于许多先前报道的生物质衍生相变材料。碳框架还提高了导热，使得热量能更高地进出材料。
为循环使用而设计
耐久是该研究的另一个重点。经过100次加热和冷却循环后，该复材料保留了超过97%的原始储热能力，且相变温度变化很小。李辉表示：“长期可靠对于现实世界的储能系统至关重要。我们的研究结果表明，这种基于甲壳素的碳气凝胶可以反复存储和释放热量。”
研究人员还发现，碳孔隙内的纳米尺度限域应增加了硬脂酸发生相变所需的活化能。这表明，由掺氮碳表面与有机分子之间的相互作用驱动，材料的热稳定得到了改善。由于甲壳素可以从海鲜废料和真菌生物质中获取，该方法为将生物产品转化为高价值能源材料提供了一条途径。该团队认为，该策略可适用于其他相变材料和温度范围，为更绿色的热能存储系统打开了大门。
此项研究发表在《可持续碳材料》期刊上。
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