“取之于木,用之于木”全木基相变储能复合材料

​东北林大李坚院士、王成毓教授团队:“取之于木,用之于木”全木基相变储能复合材料

木材作为一种古老的材料,由于具有良好的力学性能、来源丰富、成本低、可再生等优点,广泛应用到建筑、桥梁、家具以及工具等领域。另外由于木材复杂的组成成分(纤维素、半纤维素和木质素)和独特的多孔三维结构吸引了很多关注,在光学、储能、海水淡化、油水分离、电子器件等领域大放异彩。

目前大多数的木质基材料都是基于脱木素木材进行研究,脱除的木质素都被当做废弃物处理掉,利用率极低。但木质素拥有丰富的芳环结构和碳元素,是作为碳材料良好的前驱体。并且基于木质素为原料的荧光碳量子点(CQDs)发展起来。但大多数基于木质素为原料制备的碳量子点都是在紫外光区域激发,发射绿光或者蓝光。但紫外光对人体是有害的,因此制备出一种可见光激发的碳量子点能够更广泛的应用到实际生活中。

因此,东北林业大学李坚院士和王成毓教授团队等基于“取之于木,用之于木”的原则,以木材为基材,通过进行脱木质素处理,将脱除的木质素进行纯化和溶剂热处理,制备一种在可见光(580 nm)激发,具有双波长650 nm(红光)和710 nm(近红外光)发射的荧光碳量子点。由于碳量子点发射的近红外光可以辐射产生热,将碳量子点与相变储能材料结合,相变材料可以吸收并储存近红外产生的辐射热。由于相变储能材料具有泄露的缺点,脱木素木材作为支撑材料,正好利用其多孔结构的毛细作用和表面张力解决这个问题。制备得到全木质基光致发光和光致发热的复合相变储能材料。该研究成果以“Full-Wood Photoluminescent and Photothermic Materials for Thermal Energy Storage”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上,文章第一作者为博士生杨海月和刘禹杉,王成毓教授和李煜东副教授为共同通讯作者。

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图1. 全木基光致发光和光致发热复合相变储能材料的制备过程示意图

 

以脱除木质素为原料经过溶剂热处理制备的碳点,平均粒径为8.66 nm。在紫外光和可见光区域都具有强吸收,并且在紫外灯照射下发出强红色荧光。制备的碳点在不同波长的激发下,都能在650 nm和710 nm发射红光和近红外光,并且峰位置不随激发波长的变化而变化.另外在580 nm激发下的荧光发射强度最强。因此580 nm是最佳激发光波长。并且碳点的荧光强度随着浓度的增加而增加。

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图2. 碳点的制备过程及荧光性质

 

通过简单的混合浸渍法,将PEG@CQDs浸渍到脱木素木材中,可以观察到木材的孔道被填充完全,由于碳点的粒径很小,在SEM下观察不到碳点的存在,但通过宏观颜色的变化证明碳点成功浸渍到木材孔道中。复合材料的荧光性质与纯碳点的荧光性质相似,都在580 nm具有最佳激发光,并发射出650 nm和710 nm的红光和近红外光。并且荧光强度也会所碳点含量的增加而增加。另外复合材料的荧光强度也会随温度的变化而变化,随着温度的升高,荧光强度降低。这是由于相变材料PEG在不同温度下的相态变化,当PEG为固态时,碳点会聚集到一起提高相对浓度。

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图3.光致发光和光致发热全木质基复合材料的微光形貌和荧光性质

 

复合材料具有合适的相变温度(49.62 ℃)高储热能力(150 J/g),热可靠性和热稳定性(低于200 J/g)。在580 nm激发光激发下,PEG/DW经过40 min的照射下温度仅升高1.9 ℃。然而添加碳点后的复合材料,仅花费390 s温度升高到78.5 ℃。这是因为复合材料在580 nm光激发下可以发射出650 nm和710 nm的红光和近红外光。而近红外光可以辐射产生热。说明了复合材料温度的变化是由于添加碳点产生的辐射热,而不是由于580 nm的激光照射产生。相变材料能够将碳点产生的辐射热储存吸收并储存起来,在需要的时候释放,从而达到调节周围环境温度变化的作用。

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图4. 光致发光和光致发热全木质基复合材料的热学性质和温升变化

 

综上所述,作者基于“取之于木,用之于木”的原则制备了可光致发光和光致发热的全木质基复合相变储能材料,使得材料不但具有荧光性质,并且可储存热能,从而调节周围温度变化,拓宽了木质基复合材料在光学和储能领域的应用范围。

文献链接:

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126406

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