氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料及其制备方法和应用

本发明属于储能材料，特别是氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料及其制备方法，用于太阳能的节能和转化。

背景技术：

1、对能源的需求被认为是人类生存和社会进步的必要条件。然而，人口和经济的快速增长导致能源消费需求显著上升。与此同时，化石燃料的不断使用增加了温室气体排放，损害了生态系统。因此，开发新的清洁和可再生能源变得更加紧迫。太阳能被认为是化石燃料的有力替代品，因为它是最丰富、最清洁的可再生能源。然而，由于太阳能的波动性和偶发性，很难满足世界不断扩大的能源需求。利用热能储存技术将太阳能转换和储存为热能，可以提高其利用效率，在时间和地点上缩小能源供应和能源需求之间的差距。相变材料(pcm)由于其在相变过程中的高储能和释放能力、低毒性、优异的化学稳定性和恒定的相变温度，被认为是热能储存和转换领域最有前途的候选者之一。然而，熔化阶段的泄漏和低导热率限制了pcm的广泛应用。因此，用于相变材料的低成本和可获得的多孔封装材料的开发最近吸引了很多人的兴趣。生物质多孔材料(包括植物纤维、土豆、甜瓜等)是封装相变材料和制备低成本形状稳定的复合相变复合材料(sscpcm)的方法之一，无需复杂的制备程序。

技术实现思路

1、针对以往工作的不足，本发明的首要目的在于提供一种氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料的制备方法。复合体系的主要成分是西瓜皮、相变材料和氧化锰，使用了涂有氧化锰(mno2)纳米片的碳化西瓜皮(cwp)(mno2@cwp)作为宿主基质，正二十烷作为热能客体。

2、本发明的第二个目的是提供上述氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料。

3、本发明的第三个目的是提供上述氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料的用途。

4、为了实现上述目的，本发明通过将正二十烷浸渍到涂有氧化锰(mno2)纳米片的碳化西瓜皮(cwp)中，合成了具有增强热转化能力的低成本、导热、疏水的mno2@cwp复合pcm，mno2@cwp其通过碳和kmno4之间的氧化还原反应在cwp上沉积一层mno2纳米片来制备。而正二十烷被选择作为相变材料用于热能存储。值得注意的是，多孔cwp赋予了mno2@cwp-c20复合pcm在易于制造、价格低廉和环境友好方面具有优势。此外，在cwp上沉积mno2不仅提高了所得材料的热导率，mno2@cwp-c20复合pcm也对其潜热有影响。准备好的mno2@cwp-c20复合pcm具有良好的形状稳定性、高导热性、高相变潜热、高能量转换/储存效率、优异的循环稳定性、疏水性和自清洁性。因此，不仅将扩大廉价生物质废物的应用，而且为有效利用太阳能提供了一种简单的方法。

5、为达到上述目的，本发明的解决方案是：

6、一种氧化锰碳化西瓜皮的复合pcm的制备方法，其包括以下步骤：

7、(1)首先去除西瓜皮(wp)的绿色和红色部分，只留下白色部分，用蒸馏水洗涤wp以去除污垢并干燥，然后浸入naoh溶液中并煮沸，接着再用去离子水(di)洗涤wp样品以除去化学物质，之后浸入沸腾的h2o2溶液中，使其变白，并进一步去除残留的木质素，将白色的wp用di水洗涤三次后，冷冻干燥，得到脱木素的西瓜皮(dwp)；

8、(2)dwp被碳化：将dwp加热至200℃，并在氮气气氛中保持1h，然后升温至500℃并保持1h，得到碳化西瓜皮(cwp)；并放入硫酸溶液中去除可溶性杂质，干燥；

9、(3)在100ml聚四氟乙烯衬里的高压釜中，将0.2g的cwp浸泡在kmno4水溶液中，干燥，用di水漂洗五次，得到mno2@cwp；

10、(4)将mno2@cwp在真空条件下浸入熔融的正二十烷中，过滤得到氧化锰碳化西瓜皮的复合pcm(即mno2@cwp-c20复合pcm)。

11、进一步地，步骤(1)中，西瓜皮的尺寸为1cm纵向和0.5cm2横截面。

12、进一步地，步骤(1)中，煮沸的时间为1h。

13、进一步地，步骤(1)中，naoh溶液的浓度为2.5mol/l，h2o2溶液的浓度为2.5mmol/l。

14、进一步地，步骤(1)中，冷冻干燥的时间为2天，温度为50℃。

15、进一步地，步骤(2)中，加热的速率为2.0℃/min。

16、进一步地，步骤(2)中，升温的速率为5.0℃/min。

17、进一步地，步骤(2)中，硫酸溶液的浓度为0.1mol/l。

18、进一步地，步骤(2)中，干燥的时间为24h，干燥的温度为60℃。

19、进一步地，步骤(3)中，kmno4溶液的浓度为0.05mol/l、0.1mol/l、0.15mol/l和0.2mol/l。

20、进一步地，步骤(3)中，浸泡的温度为60℃，时间为24h。

21、进一步地，步骤(3)中，干燥的温度为65℃。

22、进一步地，步骤(4)中，真空的温度为90℃。

23、进一步地，步骤(4)中，熔融的时间为2h。

24、西瓜皮经过脱木质素处理后，大部分木质素和半纤维素被去除，保持了纤维素的多孔结构。孔径为2-50nm范围内，优选为3nm。

25、一种氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料，其由上述的制备方法得到。

26、一种上述的氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料在太阳能节能和转化领域中得以应用。

27、由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

28、(1)本发明的mno2@cwp-c20复合pcm具有良好的形状稳定性、高导热性、高相变潜热、高能量转换/储存效率、优异的循环稳定性、疏水性和自清洁性。

29、(2)本发明的形状稳定mno2@cwp-c20复合相变材料可以扩大廉价生物质废物的应用，但也为有效利用太阳能提供了一种简单的方法。

30、(3)本发明所用原料价格低廉，易于获得，制备和使用工艺简单。

技术特征：

1.一种氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述西瓜皮的尺寸为1cm纵向和0.5cm2横截面。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述煮沸的时间为1h；和/或，

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述冷冻干燥的时间为2天，温度为50℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加热的速率为2.0℃/min；和/或，

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述高锰酸钾溶液的浓度为0.05mol/l、0.1mol/l、0.15mol/l和0.2mol/l。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述浸泡的温度为60℃，时间为24h；和/或，

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述真空的温度为90℃；和/或，

9.一种氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料，其特征在于，其由权利要求1-8任一项所述的制备方法得到。

10.一种如权利要求9所述的氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料在太阳能节能和转化领域中的应用。

技术总结
本发明提供了一种氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料及其制备方法和应用，制备方法包括：首先对西瓜皮进行脱木素处理，之后，进行碳化处理，然后，通过碳与高锰酸钾之间的氧化还原反应，在获得的碳西瓜皮上沉积一层氧化锰纳米片，通过真空浸渍工艺制备复合相变材料。该氧化锰碳化西瓜皮的复合相变材料在太阳能节能和转化领域中得以应用。本发明的复合相变材料具有良好的形状稳定性、高导热性、高相变潜热、高能量转换/储存效率、优异的循环稳定性、疏水性和自清洁性能。复合相变材料由于其独特的特性，不仅为太阳能的高效利用提供了一种简单的方法，而且还扩大了低成本生物质废物的应用。本发明所用原料价格低廉，易于获得，制备和使用工艺简单。

技术研发人员：袁伟忠,舒海
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15