通讯作者吴立新、Naveen Thirunavukkarasu通讯单位中国科学院福建物质结构研究所DOIhttps://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.131563一、背景与问题石蜡类相变材料PCM潜热高约210 J/g、化学稳定性好广泛用于太阳能储热与电子热管理但固有导热率仅0.2–0.3 W m⁻¹ K⁻¹严重制约充放热速率引入高导热纳米填料是主流改性策略但传统石墨烯制备CVD、机械剥离能耗高达1000 kJ/g以上成本与环境代价沉重。与此同时全球每年产生约7000万吨以PET为主体的合成纺织废料既是环境负担又是高品质碳源——以极低能耗将其直接转化为石墨烯并与互补型BN纳米片协同构建连续导热网络由此兼顾固废资源化与PCM性能提升成为本文的核心科学切入点。二、论文概要本文来自中国科学院福建物质结构研究所吴立新与Naveen Thirunavukkarasu团队提出以硼酸辅助双阶段热解 闪蒸焦耳加热FJH的两步升值工艺将废旧PET纺织布经碱洗净化、硼酸混合3 wt.%、惰性气氛450℃慢速热解与740℃快速热解逐步碳化后在定制FJH装置中施加60 mF/160 V电容组放电峰值500 A50 ms毫秒内升温至2000–3000℃完成闪蒸石墨化产出少层闪蒸石墨烯FGID/IG 0.49I2D/IG 0.85层数3–6层石墨烯产率11.22%全程能耗仅21.3 kJ/g远低于CVD的1000 kJ/g所得FG与六方氮化硼BN纳米片按不同比例引入熔融石蜡系统制备单组分BPW、GPW与杂化HPW复合PCM共13种配方最优配方HPW 30.75 wt.% FG 0.75 wt.% BN导热率达0.3924 W m⁻¹ K⁻¹较纯石蜡提升82%潜热保持200.42 J/g100次循环导热率保留96.87%基于RC网络热阻模型的板翅式LTES数值仿真进一步验证HPW 3储能量4.28 MJ、能效26.3%综合性能位居文献碳基杂化PCM前列。三、图文解读【图1】FG合成与HPCMs制备工艺流程示意a废旧PET织物→碱洗→硼酸预处理→双阶段热解→FJH→FG产出全流程bFG与BN分散入石蜡制备单/杂化PCM的工艺路径图1呈现了从废旧PET织物到高性能PCM的完整工艺链条图1(a)展示PET废料经碱洗净化、硼酸混合、双阶段热解450℃慢速740℃快速和FJH瞬时放电的六步升值流程其中硼酸通过与PET酯键酯化形成硼酸酯既抑制热解阶段的解聚挥发碳产率从17.37%提升至46.85%又促进FJH过程的石墨化质量图1(b)描述了FG和BN依次加入熔融石蜡、机械搅拌1 h与超声分散1 h的PCM制备规程13种配方的系统设计为单/杂化填料效果的比较筛选奠定基础。【图2】LTES单元RC热阻网络三维节点离散化示意潜热储能单元LTES三维节点离散化模型及RC等效热阻网络概念图翅片几何参数定义图2展示了用于模拟不同HPCMs在板翅式换热器中热行为的RC热阻网络数值模型架构LTES单元被离散为铝翅片区、PCM区和导热流体HTF水区三类节点以隐式有限差分格式逐步更新温度场PCM固-液相变通过表观比热容法处理HTF节点附加对流输运项时间步5 s兼顾计算效率与精度熔化时间偏差0.1%为后续参数化分析提供可靠的数值基础。【图3】闪蒸石墨烯FG多维结构表征a拉曼光谱bLorentz拟合cXRD图谱d-eSEM形貌fAFMgXPS C 1s精细谱hHR-TEMiTGA热稳定性图3从多维度系统确认FJH产物的少层石墨烯高质量拉曼光谱ID/IG 0.49低缺陷密度、I2D/IG 0.85对应3–6层FLGXRD002衍射峰位26.59°、层间距0.335–0.344 nm符合湍层石墨烯特征AFM测得单片厚度1.1–1.5 nm3–4层HR-TEM层间距3.35 Å与XRD吻合XPS C 1s精细谱中sp²碳占比81.70%碳纯度达97.6 wt.%TGA进一步证实FG在800℃惰性气氛下结构稳定硼酸辅助路线将碳产率从17.37%大幅提升至46.85%。【图4】杂化PCM化学组成与晶体结构表征aFT-IR光谱bXRD图谱c-eBPW 4、GPW 3和HPW 3的FE-SEM表面形貌FT-IR光谱图4a显示各复合样品仅保留石蜡特征峰引入FG和BN后无新峰出现证明填料与基体为纯物理相容、无化学反应XRD图4b中石蜡晶体峰位22.02°不随填料变化FG和BN各自衍射峰均匀可辨表明分散良好、无相分离FE-SEM形貌对比图4c-e显示HPW 3中FG与BN协同抑制了各自独立体系中的团聚形成更致密的互穿导热骨架这正是其导热率最优的微结构根源。【图5】BPW、GPW、HPW系列相变行为DSC表征a-bBPW系列熔化/凝固DSC曲线c-dGPW系列e-fHPW系列三大系列的熔化峰温均在63–65℃与纯石蜡63.26℃接近证明填料不影响使用温区熔化焓随填料量增加下降4.2%–24.1%184.53–233.01 J/g源于纳米填料限制石蜡分子链迁移、降低结晶度HPW 3封装比82.40%、潜热200.42 J/g在导热增强与潜热保留之间取得最优平衡填料兼作成核位点使凝固超冷度降低、结晶动力学改善有利于实际热响应速度。【图6】杂化PCM导热率及增强因子a各配方导热率随填料质量分数的变化b各配方导热率增强比σ单独添加1 wt.% BN仅提升4.51%0.2247 W m⁻¹ K⁻¹单独添加0.75 wt.% FG提升28.3%0.2758 W m⁻¹ K⁻¹杂化体系HPW 30.75 wt.% FG 0.75 wt.% BN共1.5 wt.%导热率达0.3924 W m⁻¹ K⁻¹提升82.51%优于两者单独使用之和——FG提供高纵向声子通道约2000 W m⁻¹ K⁻¹、BN减少晶界声子散射约300 W m⁻¹ K⁻¹、二者互穿构成渗流网络是三重协同增强机制超过1.5 wt.%后团聚加剧界面热阻升高导热率回落至0.3796 W m⁻¹ K⁻¹。【图7】HPW系列热稳定性与循环耐久性aHPW 1-4的TGA热分解曲线30–500℃bHPW 3经100次冷热循环前后DSC对比曲线TGA曲线图7a显示HPW系列热分解主要集中于370–500℃加入纳米填料后分解起始温度小幅升高211→236℃储热使用温区60–80℃内安全裕度充足HPW 3经100次加热-冷却循环后图7bDSC曲线循环前后高度重叠相变温度与焓值无统计显著变化导热率由0.3924降至0.3801 W m⁻¹ K⁻¹保留率96.87%证明FG-BN互穿网络在反复固-液相变中结构完整、无填料再分布失效。【图8】数值模拟计算流程图LTES单元RC热网络求解流程几何/材料参数输入→隐式有限差分迭代→热流守恒判断→推进时间步图8以算法流程图说明LTES数值仿真求解逻辑输入系统几何、热物性参数及HTF进口条件质量流量200 kg/h以隐式有限差分格式逐时间步更新节点温度每步验证热流守恒不平衡超阈值0.1 W则欠松弛迭代修正收敛后推进至下一步PCM相变区采用表观比热容法处理时间步5 s可将熔化时间预测偏差控制在0.1%以内在计算效率与仿真精度间取得合理平衡。【图9】各PCM中间层充热结束时温度分布云图aPW、bHPW 1、cHPW 2、dHPW 3、eHPW 4中间截面温度分布对比充热结束时刻约1.4 h近平衡纯石蜡因低导热率呈现明显温度梯度远离HTF区域储热不充分随FG-BN含量升高温度云图趋于均匀热量穿透深度增大HPW 3温度分布最均匀印证0.3924 W m⁻¹ K⁻¹导热率实现了高效热扩散HPW 4因PCM质量分数降低有效储热区域收缩均匀性增益出现边际递减。【图10】充热过程各区域温度随时间演化曲线aPW、bHPW 1、cHPW 2、dHPW 3、eHPW 4节点温度-时间曲线各配方均呈现升温-相变平台-再升温三阶段响应HPW 3各区域节点温度趋于同步演化表明导热增强有效消除了传热瓶颈各区域PCM几近同步完成相变对应熔化时间2335 s、储能量4.28 MJ能效26.3%为所有配方综合最优与图9的温度云图结论相互印证。【图11】板翅式LTES系统PCM综合性能比较a导热率 vs 熔化时间b熔化时间 vs 储能量c充热效率d相变时间线e性能参数相关性f相对纯石蜡的综合提升综合参数图揭示了关键设计权衡HPW 3以4.28 MJ储能量和26.3%充热效率在HPW系列中居最优HPW 4因填料超量团聚和PCM质量分数降低储能量4.14 MJ和效率25.4%略降综合提升雷达图图11f显示HPW 3在导热、储能、效率和温度均匀性四维指标上均衡领先确认0.75 wt.% FG 0.75 wt.% BN为最优设计点。四、总结与展望本文以废旧PET→硼酸辅助热解→FJH少层石墨烯→FG-BN杂化石蜡PCM为主线实现固废资源化与储热材料高性能化的双重跃升仅1.5 wt.%总填料将导热率提升82%至0.3924 W m⁻¹ K⁻¹100次循环保留96.87%数值仿真验证储能量4.28 MJ、能效26.3%整套工艺能耗仅为CVD路线的1/50展望未来FJH连续进料工程化移动床/流化床适配是降低成本的首要突破口FG-BN与MXene等新型二维材料的协同组合有望突破当前增强上限微胶囊与多孔骨架封装策略将解决相变泄漏难题结合可再生电力驱动该体系有望实现全链条净零碳排放为热能储存领域的规模化绿色制造提供坚实支撑。原文Deepan Govindarajan et al. Textile Waste to Thermally Superior Materials: Sustainable Flash Graphene-BN Hybrids for High-Performance Phase Change Materials.Applied Thermal Engineering, 2026, 131563.DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2026.131563
通讯作者吴立新、Naveen Thirunavukkarasu通讯单位中国科学院福建物质结构研究所DOIhttps://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.131563一、背景与问题石蜡类相变材料PCM潜热高约210 J/g、化学稳定性好广泛用于太阳能储热与电子热管理但固有导热率仅0.2–0.3 W m⁻¹ K⁻¹严重制约充放热速率引入高导热纳米填料是主流改性策略但传统石墨烯制备CVD、机械剥离能耗高达1000 kJ/g以上成本与环境代价沉重。与此同时全球每年产生约7000万吨以PET为主体的合成纺织废料既是环境负担又是高品质碳源——以极低能耗将其直接转化为石墨烯并与互补型BN纳米片协同构建连续导热网络由此兼顾固废资源化与PCM性能提升成为本文的核心科学切入点。二、论文概要本文来自中国科学院福建物质结构研究所吴立新与Naveen Thirunavukkarasu团队提出以硼酸辅助双阶段热解 闪蒸焦耳加热FJH的两步升值工艺将废旧PET纺织布经碱洗净化、硼酸混合3 wt.%、惰性气氛450℃慢速热解与740℃快速热解逐步碳化后在定制FJH装置中施加60 mF/160 V电容组放电峰值500 A50 ms毫秒内升温至2000–3000℃完成闪蒸石墨化产出少层闪蒸石墨烯FGID/IG 0.49I2D/IG 0.85层数3–6层石墨烯产率11.22%全程能耗仅21.3 kJ/g远低于CVD的1000 kJ/g所得FG与六方氮化硼BN纳米片按不同比例引入熔融石蜡系统制备单组分BPW、GPW与杂化HPW复合PCM共13种配方最优配方HPW 30.75 wt.% FG 0.75 wt.% BN导热率达0.3924 W m⁻¹ K⁻¹较纯石蜡提升82%潜热保持200.42 J/g100次循环导热率保留96.87%基于RC网络热阻模型的板翅式LTES数值仿真进一步验证HPW 3储能量4.28 MJ、能效26.3%综合性能位居文献碳基杂化PCM前列。三、图文解读【图1】FG合成与HPCMs制备工艺流程示意a废旧PET织物→碱洗→硼酸预处理→双阶段热解→FJH→FG产出全流程bFG与BN分散入石蜡制备单/杂化PCM的工艺路径图1呈现了从废旧PET织物到高性能PCM的完整工艺链条图1(a)展示PET废料经碱洗净化、硼酸混合、双阶段热解450℃慢速740℃快速和FJH瞬时放电的六步升值流程其中硼酸通过与PET酯键酯化形成硼酸酯既抑制热解阶段的解聚挥发碳产率从17.37%提升至46.85%又促进FJH过程的石墨化质量图1(b)描述了FG和BN依次加入熔融石蜡、机械搅拌1 h与超声分散1 h的PCM制备规程13种配方的系统设计为单/杂化填料效果的比较筛选奠定基础。【图2】LTES单元RC热阻网络三维节点离散化示意潜热储能单元LTES三维节点离散化模型及RC等效热阻网络概念图翅片几何参数定义图2展示了用于模拟不同HPCMs在板翅式换热器中热行为的RC热阻网络数值模型架构LTES单元被离散为铝翅片区、PCM区和导热流体HTF水区三类节点以隐式有限差分格式逐步更新温度场PCM固-液相变通过表观比热容法处理HTF节点附加对流输运项时间步5 s兼顾计算效率与精度熔化时间偏差0.1%为后续参数化分析提供可靠的数值基础。【图3】闪蒸石墨烯FG多维结构表征a拉曼光谱bLorentz拟合cXRD图谱d-eSEM形貌fAFMgXPS C 1s精细谱hHR-TEMiTGA热稳定性图3从多维度系统确认FJH产物的少层石墨烯高质量拉曼光谱ID/IG 0.49低缺陷密度、I2D/IG 0.85对应3–6层FLGXRD002衍射峰位26.59°、层间距0.335–0.344 nm符合湍层石墨烯特征AFM测得单片厚度1.1–1.5 nm3–4层HR-TEM层间距3.35 Å与XRD吻合XPS C 1s精细谱中sp²碳占比81.70%碳纯度达97.6 wt.%TGA进一步证实FG在800℃惰性气氛下结构稳定硼酸辅助路线将碳产率从17.37%大幅提升至46.85%。【图4】杂化PCM化学组成与晶体结构表征aFT-IR光谱bXRD图谱c-eBPW 4、GPW 3和HPW 3的FE-SEM表面形貌FT-IR光谱图4a显示各复合样品仅保留石蜡特征峰引入FG和BN后无新峰出现证明填料与基体为纯物理相容、无化学反应XRD图4b中石蜡晶体峰位22.02°不随填料变化FG和BN各自衍射峰均匀可辨表明分散良好、无相分离FE-SEM形貌对比图4c-e显示HPW 3中FG与BN协同抑制了各自独立体系中的团聚形成更致密的互穿导热骨架这正是其导热率最优的微结构根源。【图5】BPW、GPW、HPW系列相变行为DSC表征a-bBPW系列熔化/凝固DSC曲线c-dGPW系列e-fHPW系列三大系列的熔化峰温均在63–65℃与纯石蜡63.26℃接近证明填料不影响使用温区熔化焓随填料量增加下降4.2%–24.1%184.53–233.01 J/g源于纳米填料限制石蜡分子链迁移、降低结晶度HPW 3封装比82.40%、潜热200.42 J/g在导热增强与潜热保留之间取得最优平衡填料兼作成核位点使凝固超冷度降低、结晶动力学改善有利于实际热响应速度。【图6】杂化PCM导热率及增强因子a各配方导热率随填料质量分数的变化b各配方导热率增强比σ单独添加1 wt.% BN仅提升4.51%0.2247 W m⁻¹ K⁻¹单独添加0.75 wt.% FG提升28.3%0.2758 W m⁻¹ K⁻¹杂化体系HPW 30.75 wt.% FG 0.75 wt.% BN共1.5 wt.%导热率达0.3924 W m⁻¹ K⁻¹提升82.51%优于两者单独使用之和——FG提供高纵向声子通道约2000 W m⁻¹ K⁻¹、BN减少晶界声子散射约300 W m⁻¹ K⁻¹、二者互穿构成渗流网络是三重协同增强机制超过1.5 wt.%后团聚加剧界面热阻升高导热率回落至0.3796 W m⁻¹ K⁻¹。【图7】HPW系列热稳定性与循环耐久性aHPW 1-4的TGA热分解曲线30–500℃bHPW 3经100次冷热循环前后DSC对比曲线TGA曲线图7a显示HPW系列热分解主要集中于370–500℃加入纳米填料后分解起始温度小幅升高211→236℃储热使用温区60–80℃内安全裕度充足HPW 3经100次加热-冷却循环后图7bDSC曲线循环前后高度重叠相变温度与焓值无统计显著变化导热率由0.3924降至0.3801 W m⁻¹ K⁻¹保留率96.87%证明FG-BN互穿网络在反复固-液相变中结构完整、无填料再分布失效。【图8】数值模拟计算流程图LTES单元RC热网络求解流程几何/材料参数输入→隐式有限差分迭代→热流守恒判断→推进时间步图8以算法流程图说明LTES数值仿真求解逻辑输入系统几何、热物性参数及HTF进口条件质量流量200 kg/h以隐式有限差分格式逐时间步更新节点温度每步验证热流守恒不平衡超阈值0.1 W则欠松弛迭代修正收敛后推进至下一步PCM相变区采用表观比热容法处理时间步5 s可将熔化时间预测偏差控制在0.1%以内在计算效率与仿真精度间取得合理平衡。【图9】各PCM中间层充热结束时温度分布云图aPW、bHPW 1、cHPW 2、dHPW 3、eHPW 4中间截面温度分布对比充热结束时刻约1.4 h近平衡纯石蜡因低导热率呈现明显温度梯度远离HTF区域储热不充分随FG-BN含量升高温度云图趋于均匀热量穿透深度增大HPW 3温度分布最均匀印证0.3924 W m⁻¹ K⁻¹导热率实现了高效热扩散HPW 4因PCM质量分数降低有效储热区域收缩均匀性增益出现边际递减。【图10】充热过程各区域温度随时间演化曲线aPW、bHPW 1、cHPW 2、dHPW 3、eHPW 4节点温度-时间曲线各配方均呈现升温-相变平台-再升温三阶段响应HPW 3各区域节点温度趋于同步演化表明导热增强有效消除了传热瓶颈各区域PCM几近同步完成相变对应熔化时间2335 s、储能量4.28 MJ能效26.3%为所有配方综合最优与图9的温度云图结论相互印证。【图11】板翅式LTES系统PCM综合性能比较a导热率 vs 熔化时间b熔化时间 vs 储能量c充热效率d相变时间线e性能参数相关性f相对纯石蜡的综合提升综合参数图揭示了关键设计权衡HPW 3以4.28 MJ储能量和26.3%充热效率在HPW系列中居最优HPW 4因填料超量团聚和PCM质量分数降低储能量4.14 MJ和效率25.4%略降综合提升雷达图图11f显示HPW 3在导热、储能、效率和温度均匀性四维指标上均衡领先确认0.75 wt.% FG 0.75 wt.% BN为最优设计点。四、总结与展望本文以废旧PET→硼酸辅助热解→FJH少层石墨烯→FG-BN杂化石蜡PCM为主线实现固废资源化与储热材料高性能化的双重跃升仅1.5 wt.%总填料将导热率提升82%至0.3924 W m⁻¹ K⁻¹100次循环保留96.87%数值仿真验证储能量4.28 MJ、能效26.3%整套工艺能耗仅为CVD路线的1/50展望未来FJH连续进料工程化移动床/流化床适配是降低成本的首要突破口FG-BN与MXene等新型二维材料的协同组合有望突破当前增强上限微胶囊与多孔骨架封装策略将解决相变泄漏难题结合可再生电力驱动该体系有望实现全链条净零碳排放为热能储存领域的规模化绿色制造提供坚实支撑。原文Deepan Govindarajan et al. Textile Waste to Thermally Superior Materials: Sustainable Flash Graphene-BN Hybrids for High-Performance Phase Change Materials.Applied Thermal Engineering, 2026, 131563.DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2026.131563
平方复杂度无法被常规优化消除｜TaoToken 统一 Key 通道实测)
