CN105018043B - 一种储热放热石墨烯复合相变材料的用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储热放热石墨烯复合相变材料的用途，其特征在于：用于为热电装置提供热源，以产生电能，具体的是首先将储热放热石墨烯复合相变材料贴放在散热体处，利用石墨烯复合相变材料中石墨烯提供的导热通道收集热量并传输给石墨烯复合相变材料中的有机相变材料，然后利用有机相变材料的储热能力将热量储存在石墨烯复合相变材料中；最后将已完成储热的石墨烯复合相变材料作为热电装置的热源，实现热电装置两端的温度差，产生电能。本发明使用的石墨烯复合相变材料具有巨大的储热放热性能和良好的导热能力，可做为多种电子设备的热界面材料，为供热及稳定运行提供良好的控热管理。

Description

一种储热放热石墨烯复合相变材料的用途

技术领域

本发明涉及一种储热放热石墨烯复合相变材料的用途。

背景技术

当两种不同的导体联结构成一个完整的闭合电路时，只要将接点的两端置于不同温度区形成温度差，在接点两端就会出现电压降，因而在回路中产生电流，这一现象称为塞贝克效应(Seebeck)。塞贝克效应是实现将热能直接转换为电能的理论基础。随着世界环境污染和能源危机的日益加重，利用热电材料制成的发电***因体积小、重量轻、无噪音、零污染、长寿命等优势，成为近十年来的研究热点。

利用热电转换技术产生电流的关键问题是如何在热电装置两端获得持续、稳定的热量从而形成较高的温度差。目前，在热电厂中采用供热式机组，除了供应电能以外，同时还利用作过功(即发了电)的汽轮机抽汽或排汽来满足生产和生活上所需热量。热功转换过程(凝汽式机组发电)必然产生低品位热能损失(汽机排汽在冷源中放热)，另一方面让高品位热能(锅炉提供的蒸汽热量)贬值地用于低品位供热。而且热能是能源利用中最广泛的使用形式，在各种能源的利用中，85-90％都是通过转换成热能来满足人们的需求。而热能的浪费及其低效率的使用一直是世界各国亟待解决的难题。

因此，结合相变储热的特点和优势，本发明旨在提供一种储热放热石墨烯复合相变材料的用途。

发明内容

本发明涉及一种储热放热石墨烯复合相变材料的用途，本发明中的石墨烯复合相变材料具有巨大的储热放热性能和良好的导热能力，可以为热电装置提供热源进而迅速产生稳态而持久的电流。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明储热放热石墨烯复合相变材料的用途的特点在于：用于为热电装置提供热源，以产生电能。具体的是，首先将储热放热石墨烯复合相变材料贴放在散热体处，利用石墨烯复合相变材料中石墨烯提供的导热通道收集热量并传输给石墨烯复合相变材料中的有机相变材料，然后利用有机相变材料的储热能力将热量储存在石墨烯复合相变材料中；最后将已完成储热的石墨烯复合相变材料作为热电装置的热源，实现热电装置两端的温度差，产生电能。

所述储热放热石墨烯复合相变材料可以是矩形、正方形、圆形或三角形等。所述热电装置为p–n结型热电装置，n型材料为Bi₂Te₃–Bi₂Se₃，p型材料为Bi₂Te₃–Sb₂Te₃。

所述储热放热石墨烯复合相变材料是由石墨烯以三维骨架结构相互连接的形式自组装在有机相变材料中得到的，在所述三维石墨烯骨架复合相变材料中有机相变材料质量占5-95％，余量为石墨烯；在所述三维石墨烯骨架复合相变材料中，有机相变材料提供储热能力，石墨烯为热收集和热传输提供导热通道；所述有机相变材料为脂肪醇或脂肪酸。所述脂肪醇优选为聚乙二醇或正十四醇，所述脂肪酸优选为硬脂酸、月桂酸或棕榈酸。所述聚乙二醇优选为PEG2000、PEG6000或PEG20000。

所述储热放热石墨烯复合相变材料的制备方法是：

a、氧化石墨的制备

将1.2g石墨置于60mL质量浓度98％的浓硫酸、2g K₂S₂O₈和2g P₂O₅的混合溶液中，在85℃反应4.5小时，反应后用400mL去离子水稀释反应液，依次经过滤、洗涤和60℃真空干燥后得到氧化石墨；

b、氧化石墨烯的制备

向100mg步骤a得到的氧化石墨中加入50mL质量浓度98％的浓硫酸和2g KMnO₄，于35℃反应2小时，然后向反应液中加80mL去离子水，再于95℃继续反应0.5小时，随后加入120mL去离子水和6mL质量浓度30％的双氧水溶液终止反应，依次经离心、洗涤和30-40℃真空干燥后得到氧化石墨烯；

所述洗涤是依次用质量浓度10％的HCl溶液和去离子进行洗涤；

c、石墨烯的制备

将100mg步骤b中得到的氧化石墨烯超声分散在100mL去离子水中，然后加入0.1g的抗坏血酸，室温条件下磁力搅拌24小时，即得到分散性良好的石墨烯；

d、具有储热放热性能的节能型三维石墨烯骨架复合相变材料的制备

将有机相变材料加热融成液态，然后按照目标产物中有机相变材料和石墨烯的质量配比，向有机相变材料中加入以水或环己烷为溶剂的石墨烯溶液并混合均匀；在不低于有机相变材料的相变温度下搅拌加热5h以蒸干大部分溶剂，然后保持温度不变继续静置蒸发5h，最后室温干燥，即得节能三维石墨烯骨架复合相变材料。

如图1所示，本发明利用石墨烯复合相变材料为热电装置提供热源产生电能的效果，可以按以下步骤进行测试：

a、将一定边长、不同厚度、且含不同质量分数的有机相变材料的石墨烯复合相变材料平放在玻璃片上并置在温度为80℃烘箱中1小时，让石墨烯复合相变材料充分吸热并达到热饱和；

b、在石墨烯复合相变材料加热期间，将热电装置-温差发电片固定在装有冰水混合物(提供冷源)的保温杯中并使温差发电片的冷端刚刚浸入到冰水混合物中。固定完成后将温差发电片的两根导线分别接到万用表上，调制电压/电流档待测。或者接上LED灯珠，待温差发电片进行发电时记录灯珠发光的亮度变化和发光时间。

c、将步骤a中的达到热饱和的石墨烯复合相变材料，转移至热电装置的表面并密闭贴合，便于热量快速传递给热电装置，实现热电装置两端的温度差，进而迅速产生稳态而持久电流，并开始记录万用表上的电流(电压值)变化或灯珠发光的亮度变化和发光时间。

本发明石墨烯复合相变材料为热电装置提供热源产生电能的方法中用石墨烯复合相变材料进行集热-储热-热供给，依据不同温差范围的热电材料，通过相变材料的含量、复合材料的厚度设计实现对热电装置的热能供给而产生电流。

与现有的技术相比，本发明具有以下突出的优点和技术效果：

1、本发明使用的石墨烯复合相变材料集“集热-储热-放热”功能于一体，可用于对多种热电装置提供热源。

2、本发明使用的石墨烯复合相变材料，利用其相变材料的储热能力，实现相变过程中定温作用，同时为热电装置持续提供稳定的热流，消除热量供给与利用过程中不匹配的影响。

3、本发明使得相变材料储能技术应用范围拓宽，可选择大量的、不同相变温度范围的相变材料作为“集热-储热-放热”功能材料，真正为热电装置提供热源产生电能的应用技术普遍应用于热能利用与优化中奠定基础。

附图说明

图1为利用石墨烯复合相变材料为热电装置提供热源产生电能的方法示意图；

图2是本发明实施例1中石墨烯复合相变材料为温差发电片上的负载灯泡供电的光学照片，从照片中可以看出：本发明中的石墨烯复合相变材料可以方便有效的为温差发电片的热端提供热源供其发电及供应负载电路上的灯泡持续发光。

图3是本发明实施例2中利用石墨烯复合相变材料供温差发电片发电的时间随有机相变材料质量分数的变化曲线，从曲线中可以看出：温差发电片持续发电时间根据石墨烯复合相变材料热蓄热量而变化，也就是说可以通过调节石墨烯复合相变材料中有机相变材料(PEG6000)的含量来控制温差发电片持续发电的时间。

图4是本发明实施例3中利用石墨烯复合相变材料供温差发电片发电的时间随石墨烯复合相变材料厚度的变化曲线，从曲线中可以看出：温差发电片持续发电时间根据石墨烯复合相变材料热蓄热量而变化，也就是说可以通过调节石墨烯复合相变材料的厚度来控制温差发电片持续发电的时间。

图5是本发明方法中利用石墨烯复合相变材料供温差发电片发电的时间随有机相变材料类型的变化曲线，从曲线中可以看出：温差发电片持续发电时的电流大小根据石墨烯复合相变材料热相变温度而变化，相变温度越高提供的温差越大，温差发电片发电效率也就越高，表现在曲线上就是持续发电期间的电流值就较大。

具体实施方式

实施例1

本实施例以石墨烯-聚乙二醇复合相变材料为例，阐述利用石墨烯复合相变材料为热电装置提供热源产生电能的方法及效果。

a、将尺寸为2cm×2cm×1cm的方形石墨烯复合相变材料(含聚乙二醇6000质量分数为95％，记为G-PEG95％)平放在玻璃片上并置在温度为80℃烘箱中1小时，让石墨烯复合材料充分吸热并达到热饱和；

b、在石墨烯复合相变材料加热期间，将温差发电片固定在装有冰水混合物(提供冷源)的保温杯中并使温差发电片的冷端刚刚浸入到冰水混合物中。固定完成后将温差发电片的两根导线分别接到万用表上或者接上LED灯珠，待温差发电片进行发电时记录电流大小或灯珠发光的亮度变化和发光时间。

c、将步骤a中的吸热达到饱和的石墨烯复合相变材料迅速转移至温差发电片的热端界面上，并开始记录万用表上的电流(电压值)变化或灯珠发光的亮度变化和发光时间。

图2为本实施例石墨烯复合相变材料为温差发电片上的负载灯泡供电的光学照片。可以看出，石墨烯复合相变材料可以方便有效的为温差发电片的热端提供热源供其发电及供应负载电路上的灯泡持续发光。随着时间的增加(图2a-图2d)，灯泡的亮度减弱。

实施例2

为对比石墨烯复合相变材料中有机相变材料质量分数的改变对发电时间的影响，本实施例按实施例1相同的方式进行测试并记录所产生电流随时间的变化，不同的是所用石墨烯复合相变材料中聚乙二醇6000质量分数为86％、75％，分别记为G-PEG86％、G-PEG75％。同时作空白实验(Blank)，即不在温差发电片的热端固定石墨烯复合材料，而是将其直接在80℃烘箱中烘1小时。

结果如图3所示，从曲线中可以看出，石墨烯复合相变材料具有储热能力，温差发电片持续发电时间根据石墨烯复合相变材料热蓄热量而变化，也就是说可以通过调节石墨烯复合相变材料中有机相变材料(PEG6000)的含量来控制温差发电片持续发电的时间。

实施例3

为对比石墨烯复合相变材料厚度的改变对发电时间的影响，本实施例按实施例1相同的方式进行测试并记录所产生电流随时间的变化，不同的是所用石墨烯复合相变材料的尺寸为2cm×2cm×0.5cm。同时作空白实验(blank)，即不在温差发电片的热端固定石墨烯复合材料，而是将其直接在80℃烘箱中烘1小时。结果如图4所示。

石墨烯复合相变材料厚度的不同，归根结底也是石墨烯复合相变材料储热能力的不同，曲线中可以看出，温差发电片持续发电时间根据复合相变材料热蓄热量而变化，也就是说可以通过调节复合相变材料的厚度来控制温差发电片持续发电的时间。

实施例4

为对比石墨烯复合相变材料中所用有机相变材料的不同对发电时间的影响，本实施例按实施例1相同的方式进行测试并记录所产生电流随时间的变化，不同的是所用石墨烯复合相变材料含质量分数为95％的聚乙二醇2000。结果如图5所示。从曲线中可以看出，温差发电片持续发电时的电流大小根据复合相变材料热相变温度而变化，相变温度越高高提供的温差越大，温差发电片发电效率也就越高，表现在曲线上就是持续发电期间的电流值就较大。

Claims (1)

1.一种储热放热石墨烯复合相变材料的用途，其特征在于：用于为热电装置提供热源，以产生电能，具体方法为：首先将储热放热石墨烯复合相变材料贴放在散热体处，利用石墨烯复合相变材料中石墨烯提供的导热通道收集热量并传输给石墨烯复合相变材料中的有机相变材料，然后利用有机相变材料的储热能力将热量储存在石墨烯复合相变材料中；最后将已完成储热的石墨烯复合相变材料作为热电装置的热源，实现热电装置两端的温度差，产生电能；

所述热电装置为p–n结型热电装置，n型材料为Bi₂Te₃–Bi₂Se₃，p型材料为Bi₂Te₃–Sb₂Te₃ ；

所述储热放热石墨烯复合相变材料是由石墨烯以三维骨架结构相互连接的形式自组装在有机相变材料中得到的，在所述三维石墨烯骨架复合相变材料中有机相变材料质量占5-95％，余量为石墨烯；在所述三维石墨烯骨架复合相变材料中，有机相变材料提供储热能力，石墨烯为热收集和热传输提供导热通道；所述有机相变材料为脂肪醇或脂肪酸；所述脂肪醇为聚乙二醇或正十四醇，所述脂肪酸选自硬脂酸、月桂酸或棕榈酸；所述聚乙二醇为PEG2000、PEG6000或PEG20000；

所述储热放热石墨烯复合相变材料的制备方法是：

a、氧化石墨的制备

将1.2g石墨置于60mL质量浓度98％的浓硫酸、2g K₂S₂O₈和2g P₂O₅的混合溶液中，在85℃反应4.5小时，反应后用400mL去离子水稀释反应液，依次经过滤、洗涤和60℃真空干燥后得到氧化石墨；

b、氧化石墨烯的制备

向100mg步骤a得到的氧化石墨中加入50mL质量浓度98％的浓硫酸和2g KMnO₄，于35℃反应2小时，然后向反应液中加80mL去离子水，再于95℃继续反应0.5小时，随后加入120mL去离子水和6mL质量浓度30％的双氧水溶液终止反应，依次经离心、洗涤和30-40℃真空干燥后得到氧化石墨烯；

所述洗涤是依次用质量浓度10％的HCl溶液和去离子水 进行洗涤；

c、石墨烯的制备

将100mg步骤b中得到的氧化石墨烯超声分散在100mL去离子水中，然后加入0.1g的抗坏血酸，室温条件下磁力搅拌24小时，即得到分散性良好的石墨烯；

d、具有储热放热性能的节能型三维石墨烯骨架复合相变材料的制备

将有机相变材料加热融成液态，然后按照目标产物中有机相变材料和石墨烯的质量配比，向有机相变材料中加入以水或环己烷为溶剂的石墨烯溶液并混合均匀；在不低于有机相变材料的相变温度下搅拌加热5h以蒸干大部分溶剂，然后保持温度不变继续静置蒸发5h，最后室温干燥，即得节能三维石墨烯骨架复合相变材料。