近日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋团队开发出新型光热相变储能微胶囊。相关工作以Phase-Changing Microcapsules Incorporated with Black Phosphorus for Efficient Solar Energy Storage为题发表在《先进科学》(Advanced Science)上。
将太阳光转化成热能是当前太阳能利用的重要方式，在海水淡化、供暖、建筑以及太阳能储存系统等领域有着巨大应用潜力。相变材料能够在固液相变过程中高效储存或释放热能，这为解决太阳辐照在时间上的不均衡提供了可行性，也可解决昼夜温差的问题。然而，传统有机相变材料在相变时容易发生泄漏，并且无法有效吸收太阳光。近年来，将光热材料与相变材料结合的相变储能微胶囊技术逐渐进入人们的视野，光热材料的引入可直接高效吸收太阳光能转化成热能，进而被相变材料储存和控释。但目前技术往往只能将光热材料和壳材结合，或包裹在壳层中或修饰在壳材表面，这导致光热材料产生的大部分热量在壳材与外界对流中直接耗散，无法有效存储太阳能。
太阳能是一种清洁可再生能源，在所有的可再生能源中，太阳能分布最广，获取最容易。 但是太阳能受地理、 昼夜和季节等规律性变化的影响以及阴晴云雨等随机因素的制约， 能流密度低，通常每平方米不到一千瓦，此外，能量随着时间和天气的变化呈现不稳定性和不连 续性。为了保证太阳能利用稳定运行, 就需要储热装置把太阳能储存起来, 在太阳能不足时 再释放出来, 以满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要。 几乎所有用于采暖、 供应热水、 生产过程用热等的太阳能热利用装置都需要储存热能。
太阳能储存有三层含义，一是将白天接收到的太阳能储存到晚间使用，二是将晴天接收 到的太阳能储存到阴雨天气使用， 三是将夏天接收到的太阳能储存到冬天使用。 国内外研究太阳能的储存方法主要有两大类: 第一类是将太阳能直接储存，即太阳能热储存，主要 分为三种类型：显热储存、相变储存和化学反应储存；第二类是把太阳能先转换成其他能量 形式, 然后再储存, 如先转变为电能和机械能。
深圳先进院材料界面研究中心等建立了年产300吨的微胶囊中试和产业平台。团队掌握了多种新型无醛微胶囊的工业化制备技术，开发出了热致变色、光致变色、相变储能、光致发光、智能缓释等多种微胶囊产品，可广泛应用于智能服装、穿戴类、嵌入式设备以及医疗植入设备等领域。
在本项工作中，团队设计了一种高效的太阳能存储相变微胶囊。首先，通过一步法制备了PMMA修饰的二维黑磷纳米片，提升了其在二氯甲烷以及二十烷中的分散性。然后通过乳化挥发法，构建了以高透光性聚合物PMMA为壳材，以光热转换材料二维黑磷纳米片和相变材料二十烷共为芯材的相变微胶囊材料。该相变微胶囊具有高潜热值(180 kJ/kg)，表现出较好的热稳定性以及出色的光热转换和太阳能存储能力。在光照条件下，微胶囊内分散良好的二维黑磷将吸收太阳光能转换的热能直接传递给二十烷进行存储，和二维黑磷在胶囊壁材外的样本相比，具有3倍的存储速率。这种光热相变储能微胶囊材料在太阳能存储领域拥有应用前景，也为设计多功能相变复合材料提供了新方法。
该研究工作得到了国家自然科学基金、中科院前沿科学重点项目、广东省特支计划等项目的支持。