摘 要

相变储热材料作为一种节能环保材料，目前在新能源开发特别是太阳能应用等方面受到极大关注。本文主要研究一种独特的自组装法，在溶液中利用L-抗坏血酸作为还原剂，将氧化石墨烯还原制备得到还原氧化石墨烯，借助分子间相互作用力使十八醇嵌入石墨烯片层之间，自组装形成三维立体结构，石墨烯以网状结构对相变材料十八醇进行包覆，制备得到具有优良性能的有机复合相变材料，然后通过SEM、FTIR、DSC等相关测试分析方法对试样相关物理化学性能进行测试，综合分析实验方法对最终相变材料相关性能的影响。结果表明，通过自组装法制备的复合材料中，石墨烯能够均匀地包覆十八醇，形成三维立体网状结构，同时，在石墨烯含量为依次为0.5%、1%、2%和3%的各复合试样中，熔化焓分别为229.8771J/g、227.1268J/g、239.4719J/g和235.9663J/g，相比于纯十八醇，仅减少了5.10%、6.23%、1.14%和2.59%；而凝固焓分别为206.5159J/g、208.6237J/g、208.3478J/g和202.7939J/g，相比于纯十八醇，分别仅仅减少了1.71%、0.70%、0.84%和3.48%，说明石墨烯不是分散在十八醇内，而是均匀地包覆十八醇，降低了石墨烯作为结构性材料带来的储热能力退化程度。

关键字：相变储热材料;氧化石墨烯;十八醇;自组装;热物性能

ABSTRACT

Phase change heat storage material (PCMs) has attracting a lot of attention as a kind of energy saving and environmental friendly materials, particular in the new energy development area. In this paper, we focus on a unique method to assembly organic composite phase change materials with excellent properties. We using reduced graphene oxide prepared by solution reduction to coating 1-octadecanol by self-assembly method, forming PCMs. Then results were characterized by SEM, FTIR, DSC and so on. Based on the results, we analyzed the influence of experimental method on the performance of the final phase change materials, respectively.

The results show that graphene can uniformly coat 1-octadecanol in the composite material prepared by self-assembly method, and form a three-dimensional network structure. At the same time, the melting enthalpy of the composite samples with 2% and 3% graphene content, are 239.4729J/g and 235.9663J/g, compared with the pure 1-octadecanol, the drawback are only 1.14% and 2.59%, respectively. And the solidification enthalpy of the composite samples with content of 1% and 2% are 208.6237J/g and 208.3478J/g, compared with 1-octadecanol,only loss 0.7% and 0.84%, respectively.

Keyword:Phase change energy storage materials; Graphene oxide; 1-octadecanol; thermal physics properties;Self-assembly

目录

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 储热方式 2

1.2.1 显热储热 2

1.2.2 热化学储热 3

1.2.3 潜热储热 3

1.3 相变储热材料分类 4

1.3.1 固—固相变材料 4

1.3.2 固—液相变材料 5

1.3.3 增强有机相变材料的方法 8

1.4 选题意义及研究内容 8

1.4.1 选题意义 8

1.4.2 研究内容 10

第2章实验部分 11

2.1试剂和仪器 11

2.2制备相变储热材料 11

2.3 性能表征 13

2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）观察 13

2.3.2 傅里叶变换红外光谱（FTIR）测试 13

2.3.3差示扫描量热（DSC）分析 13

第3章 结果与讨论 14

3.1 复合相变材料SEM微观结构分析 14

3.2红外光谱分析 16

3.3DSC热性能分析 18

第4章结论 20

参考文献 21

致谢 24

第1章 绪论

1.1 前言

十八世纪八十年代，瓦特发明了蒸汽机，标志英国工业革命的开端，同时也标志着人类文明步入一个崭新的阶段，从农耕文明步入工业文明，进而发展为知识文明。在过去的两百年，随着人类技术进步和工业的急速发展，人类对能源的需求也急剧增加（图1.1），人类能掌握并充分利用的能源正在加速枯竭。一些能源专家和地质学家根据当今全球能源资源使用速度推测，目前全世界煤炭的探明量仅够人类在未来使用220年，天然气的储备量只有60年，而被称为工业血液的石油将会在40年之内被用尽，按照这样的趋势，如果不能充分发掘使用新能源，在两个世纪之后地球将陷入寒冷和黑暗^[1]。

图1.1世界初级能源消耗^[2] 图1.2 CO₂排放量^[3]

与此同时，无节制消耗化石能源还带来了一系列严重的问题，包括臭氧层破坏、全球变暖、气候变化等，这已经显著地影响了人们的生产、生活甚至生存。由于目前世界能源结构仍以化石燃料为主，故可以用CO₂的排放量衡量能源的消耗量，据统计，CO₂排放量可大致分为以下几类：电力和供热，制造和建筑，交通，住宅（图1.2）。从图1.2中不难看出，近年来随着电器化的迅速发展，电力和供热耗能越来越大，如何提高电力和热能的转化、使用效率变得尤为重要。要解决能源危机和化石能源使用带来的环境问题，只有大力发展可再生能源，如风能、水能、潮汐能、太阳能等，改变目前的能源结构，做到可持续发展。

1.2 储热方式

在众多可再生能源中，太阳能被认为是最具发展前景的可再生能源之一，但由于昼夜交替的周期性，在夜间无法利用太阳能，故而必须发展一种有效的储能方式，保证夜间的能量供应。目前发展比较成熟的储能方式，大致可以分为以下几种：电磁机构储能，机械储能，化学储能，储热储能^[4]。其中储热储能又可分为显热、潜热和热化学储热等3种，如图1.3所示。潜热储能材料一般又称为相变储热材料，利用的是材料在其相变过程与环境进行热交换，向环境吸收或释放能量，且相变的发生取决于环境温度^[5]。目前广泛应用的大多数相变储热材料都具有高储热密度、储热放热时近似恒温、相变温度范围宽、来源广泛及易于控制等诸多优点，已经被广泛地应用在太阳能热能利用、航天航空、电力电网的“移峰填谷”、各种工业设备废热和余热回收利用以及工业与民用建筑采暖与空调节能等众多领域，受到了各行业极大关注，目前已知的相变储热材料几乎能够满足任何温度范围的储热需求^[6]。