石墨烯基多孔结构有望解决有机相变材料（PCMs）导热性差、泄漏、形状稳定性差的问题，同时赋予它们优异的太阳能/电热转换能力，但其仍然受到有机“粘合剂”导致的高界面热阻/电阻的限制。

鉴于芳纶纳米纤维（ANF）具有优异的凝胶能力及其高度有序的共轭分子结构，郑州大学刘春太教授、冯跃战副教授&武汉纺织大学何承恩副教授采用单向冷冻铸造结合碳化焊接技术构建了一种由ANF辅助的石墨烯多孔结构。由于ANF衍生碳化与石墨烯的石墨晶格结构相似，高度垂直取向的石墨烯结构的界面热阻/电阻大大降低。因此，石墨烯结构（仅4.26vol%）封装的PCMs复合材料在1500℃下碳化时表现出高达4.85W/mK的出色热导率，从而使得PCM复合材料能够快速传热和储能。具有高孔隙率的蜂窝状多孔石墨烯结构可以容纳足够的PCMs用于储能，在相变过程中显示出149.7J/g的高潜热焓和较好的形状稳定性。更重要的是，石墨烯结构赋予PCM复合材料优异的太阳能/电热转换能力，这不仅扩展了PCM的储能类型，而且在需要连续稳定温度环境的热管理应用中也很有前景。

图1.（a）C-mGAs结构及其PCMs复合材料的制备过程示意图。（b）碳化前（上）和碳化后（下）的照片。（c-d）mGAs和（e-f）1500℃碳化的C-mGAs的横截面和表面SEM图像。

图2.（a）mGAs和经不同温度碳化的C-mGAs的XRD和（b）WAXD图谱，（c）（002）的相应FWHM和d-间距，（d）拉曼光谱，（e）2D波段的拟合峰，（f）相应ID/IG和晶体尺寸，（g）FTIR和（h）XPS光谱。（i）C-mGAs-1500 C1s区域的高分辨率XPS光谱。

图3.（a）具有不同碳化温度和（b）不同GNP负载的PCM复合材料的热导率。（c）每1vol%的热导率增强与先前报道的PCM复合材料的比较。（d）基于金属泡沫理论对实验数据进行拟合。（e）mGAsP和（f）C-mGAsP不同预指数的模型拟合曲线。

图4.PCMs复合材料在（a）60℃和（C）80℃工作台上加热，然后在周围环境中冷却的温度变化曲线。（b）C-mGAsP在重复加热和冷却循环期间的温度曲线。含碳化结构的PCMs复合材料在不同（d）碳化温度和（e）GNP含量下的加热温度曲线。

图5.（a）PEG、mGAsP和C-mGAsP的紫外-可见吸收光谱。在太阳模拟器辐射（250mW/cm²）下，PEG、mGAsP和C-mGAsP的温度变化曲线（b）和太阳能储热效率（c）。（d）C-mGAsP在不同辐照强度下的温度变化曲线。（e）C-mGAsP的I-V线性曲线。（f）C-mGAsP在不同输入电压下的红外热图像和（g-h）温度变化曲线。（i）C-mGAsP在不同电压下的电热储存效率。

图6.（a）PEG和C-mGAsP复合材料的DSC曲线和（b）相应熔融/结晶焓。（c）c-mGAsP在重复加热/冷却循环中的DSC曲线。（d）具有不同GNP含量的C-mGAsP复合材料的TG曲线和（e）蓄热系数。（f）C-mGAsP在加热台（80℃）上受到恒定压缩载荷的照片和红外热图像。

该工作以“Carbonization welding graphene architecture for thermally conductive phase change composites with solar/electric-to-heat conversion ability”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（DOI:10.1016/j.cej.2023.146087）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146087