一种石墨烯气凝胶吸附储热复合材料及其制备与应用

本发明涉及储能复合材料领域，具体地说，涉及一种石墨烯气凝胶吸附储热复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着工业的快速发展，气候变化问题受到越来越多的关注。为了实现碳排放峰值和碳中和的目标，清洁和可再生能源的利用被视为重中之重。目前，太阳能是最有前途的替代化石燃料的可再生能源之一，在各个领域都有巨大潜力。由于热能是常规能源和可再生能源的最终形式，太阳能向热能的转化和储存是稳定、持续利用太阳能的最直接方式。

2、太阳能转化及储存的最常用方式是使用相变复合材料，通过添加光热转化材料，使材料在光照的情况下，吸收太阳能并转化为热能，然后相变材料将热能储存起来。复合相变材料性能稳定，可以在较小的温度变化内实现较高的热能储存，已被大量研究，合成技术成熟。然而，光热相变储热材料存在一些固有的问题：蓄热密度小，焓值低。即使是相对焓值较高的无机水合盐，焓值也仅有300左右，降低了太阳能的储热效率。如今，基于吸附的热能收集和储存系统开始作为一种新型的热能分配方式应用在太阳能储热领域中。通过将热量传递到已经吸附水饱和的材料中，使材料在热量的驱动下解吸水分，此时热能转化为吸附剂-水的键能，从而实现热能的储存。吸附剂一般分为物理吸附和化学吸附，化学吸附吸水量高，但会存在腐蚀、团聚等问题，物理吸附的吸附剂与水分子有很强的相互作用导致很高的再生温度。离子液体是一种稳定的液态熔盐，具有低饱和蒸汽压，低挥发性和良好的热物理性质，相比于传统的物理吸附剂沸石、硅胶等具有更低的再生温度(80℃)，相比于化学吸附剂，具有良好的化学稳定性，避免了因吸附剂结块团聚而影响其实际应用。相比于新型的吸水能力更强的吸附剂mof材料，价格更为低廉。甚至一些离子液体(emim ac)，具有和mof材料几乎同等的吸水能力。

3、然而，离子液体存在一些弊端，它的液体形式、易泄露、传热传质差等问题阻碍了它在储热领域中的灵活应用和发展。为了克服离子液体的固有问题，本发明提供了一种石墨烯气凝胶吸附储热复合材料及其制备方法，使用高导热、高比表面积的石墨烯气凝胶作为负载材料，不仅解决了离子液体流动性大，易泄露的问题，且提供了一种基于吸附的太阳能转化及热储存材料。

技术实现思路

1、本发明的首要目的在于提供一种具有高吸水量、高储能密度的离子液体石墨烯气凝胶复合材料。可用于太阳能转化及热储存领域。

2、本发明的另一目的在于提供上述离子液体石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，所述复合材料采用的技术方案具体如下：

3、(1)合成氧化石墨烯：将石墨粉和硝酸钠粉末加入到三颈烧瓶中，然后将冰浓硫酸加入到三颈烧瓶中封口、冰浴。反应后，将研磨后的高锰酸钾粉末在2-3h内加入烧瓶中，并在30-35℃内搅拌反应7h以上。氧化反应结束后，在三颈烧瓶中搅拌添加去离子水稀释溶液。为了去除硫酸和未反应的杂质，溶液需要被转移到离心机中对其进行水洗，在9000rpm-11000rpm的转速下离心，每次去除上清液，直至溶液上清液为中性，然后在4000-5000rpm的转速下离心去除底层的杂质得到氧化石墨烯溶液。

4、(2)合成石墨烯气凝胶：将(1)中的氧化石墨烯溶液冻干备用，之后每次称量所需的质量。将氧化石墨烯配制成一定浓度的氧化石墨烯溶液，磁子搅拌、超声，促进氧化石墨烯在水中的均匀分散。分散后，将溶液倒在模具中迅速冷冻，冻干后即可得到氧化石墨烯气凝胶，氧化石墨烯气凝胶放入管式炉中高温还原即得到石墨烯气凝胶。

5、(3)制备石墨烯气凝胶吸附储热复合材料：根据一定比例配制离子液体水溶液，用滴管或针管在石墨烯气凝胶表面上加少量的乙醇，使气凝胶表面从疏水性变为亲水性，方便离子液体水溶液的渗透。之后，称量离子液体水溶液并将其从气凝胶的表面上开始滴加。滴加后，真空浸渍直至离子液体溶液完全进入到气凝胶的孔隙内部，即可得到石墨烯气凝胶吸附储热复合材料。

6、进一步，步骤(1)中所述的石墨粉、硝酸钠粉末、高锰酸钾粉末的质量比应为2：1：6。石墨粉在浓硫酸中的浓度为0.043g/ml。

7、进一步，步骤(1)中所述的冰浴的时间应在1h以上。

8、进一步，步骤(2)中所述配制的氧化石墨烯溶液的浓度为3-5mg/ml。

9、进一步，步骤(2)中所述氧化石墨烯溶液分散磁子搅拌的时间为2-4h，超声5-10min。

10、进一步，步骤(2)中所述的冻干，冻干时间为3天以上，冻干温度为-40—50℃,冻干真空度小于100pa。

11、进一步，步骤(2)中所述的高温还原，高温时间为2h以上，冻干温度为800-900℃,氮气气氛下还原。

12、进一步，步骤(3)中所述的离子液体包括但不限于[dmim][dmp]、[emim][ac]、[emim][dep]和[emim][etso4]中的一种或多种。

13、进一步，步骤(3)中所述的离子液体水溶液的配制，离子液体与水的比例应为离子液体：离子液体在85％湿度下的最大吸水量。

14、进一步，步骤(3)中所述乙醇的量将石墨烯气凝胶材料表面润湿即可。

15、进一步，步骤(3)中所述离子液体水溶液滴加到石墨烯气凝胶的量为氧化石墨烯气凝胶质量的10-30倍。

16、本发明制得的产品具有光热转化，可将光能转化成的热能储存起来，材料具有高吸附能力和高储热密度，可用于太阳能光热转化吸附储热系统。

17、与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

18、(1)本发明采用离子液体作为吸附储热材料，能够保证高吸附能力、高储热密度的前提下，保证材料的热循环稳定性，避免了使用化学吸附剂造成的沉淀、聚集。相比于传统物理吸附材料，具有较低的再生温度，易于材料在光照下的迅速脱附再生。相比于mof，具有更低廉的价格，适合大规模的太阳能吸附储热系统。

19、(2)本发明采用石墨烯气凝胶作为离子液体负载材料，导热系数高，解决了离子液体固有的传热差的问题，同时气凝胶丰富的孔隙结构，可以承受大量离子液体聚集和吸附介质水的存在，避免了储热过程离子液体和水流动性大，易泄露流出的问题。

20、(3)本发明石墨烯气凝胶中的石墨烯，具有优良的光热转化性能，光热转化效率高。制得的吸附储热材料可用于太阳能光热转化吸附储热系统中，具体可以应在建筑空间节能加热和冷却等领域。

技术特征：

1.一种石墨烯气凝胶吸附储热复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的石墨粉、硝酸钠粉末、高锰酸钾粉末，其特征在于：所述步骤(1)中，石墨粉、硝酸钠粉末、高锰酸钾粉末的质量比应为2：1-2：6-8；石墨粉在浓硫酸中的浓度为0.04-0.043g/ml。

3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯溶液配制，其特征在于：所述步骤(2)中，配制的氧化石墨烯溶液的浓度为3-5mg/ml；

4.根据权利要求1所述高温还原，其特征在于：步骤(2)中所述的高温还原，高温时间为2h以上，温度为800-900℃,氮气气氛下还原。

5.根据权利要求1所述离子液体，其特征在于：所述步骤(3)中离子液体包括但不限于1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯([dmim][dmp])、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([emim][ac])、1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐([emim][dep])和1-乙基-3-甲基咪唑硫酸甲酯盐([emim][etso4])中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述离子液体水溶液的配制，其特征在于：所述步骤(3)中离子液体：水的比例应为离子液体：离子液体在85％湿度下的最大吸水量。

7.根据权利要求1所述乙醇，其特征在于：所述步骤(3)中乙醇的量将石墨烯气凝胶材料表面润湿即可。

8.根据权利要求1所述离子液体水溶液滴加到石墨烯气凝胶的量，其特征在于：所述步骤(3)离子液体水溶液滴加到石墨烯气凝胶的量为氧化石墨烯气凝胶质量的10-30倍。

9.一种权利要求1-8任一所述制备方法制备获得的石墨烯气凝胶吸附储热复合材料。

10.一种权利要求9所述石墨烯气凝胶吸附储热复合材料的应用，所述的复合材料包括石墨烯气凝胶和离子液体，石墨烯气凝胶作为支撑体，具有优良的光热转化性能；离子液体作为吸附储热材料，具有高吸附能力和高储热密度，两者复合可用于太阳能光热转化吸附储热系统。

技术总结石墨烯气凝胶吸附储热复合材料及其制备方法，所述复合材料包括离子液体和石墨烯气凝胶支撑体。制备过程首先制备氧化石墨烯；然后将石墨烯均匀分散在水溶液中，分散后使用冷冻干燥制得氧化石墨烯气凝胶，紧接着高温焙烧使氧化石墨烯还原；再将离子液体配置成离子液体水溶液，将其滴加在石墨烯气凝胶中，并通过真空浸渍，制成最终产物。本发明制得的产品具有光热转化，可将光能转化成的热能储存起来，材料具有高吸附能力和高储热密度，可用于太阳能光热转化吸附储热系统。技术研发人员：史全,杨铭昭,董宏生,孙克衍,寇艳,邓嘉琳受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18