【复材资讯】一种可实现无源热调控的相变材料

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背景介绍

近年来，化石燃料的大量使用导致大气中二氧化碳（CO2）浓度急剧上升，引发了全球气候变化和严重的环境问题，如全球变暖、海洋酸化和极端天气事件。为应对CO2排放问题，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术应运而生，其中化学链（CL）过程因其高效的能量利用和较低的碳排放，被认为是一种极具前景的碳分离、捕集和利用方法。然而，CL逆水煤气变换反应（CL-RWGS）在固定床反应器中进行时，氧化物连续进行放热和吸热的可逆反应，导致剧烈的温度波动，降低了气体转化效率，因此，引入有效的热调控技术至关重要。

传统的热调控方法，如使用固体材料或流化床反应器设计，存在操作复杂、适用条件狭窄以及难以同时实现热调控和反应活性等局限性。相比之下，相变材料（PCM）在固-液相变过程中能够吸收或释放大量潜热，同时保持恒定温度，微胶囊化PCM（MEPCM）更是提供了更大的传热面积和更高的热稳定性，适用于高温CL反应。因此，本研究旨在开发一种基于MEPCM支撑的新型热存储功能氧载体材料，以期在CL-RWGS过程中实现高效的热调控并提高气体转化效率。因此，开发一种基于MEPCM支撑的新型热存储功能氧载体材料，以期在CL-RWGS过程中实现高效的热调控并提高气体转化效率。

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成果掠影

近日，北海道大学工学部 Takahiro Nomura 团队提出了一种基于 MEPCM 载体的蓄热功能性储氧材料。制备的Fe2O3/Al-MEPCM实现了高潜热（137 J/g）和良好的CO生成速率（224 µmol/g min-1）。经过50次氧化还原循环后，Fe2O3/Al-MEPCM的氧存储容量仍保持在75%以上，而Al-MEPCM作为物理屏障防止了烧结。此外，使用Fe2O3/Al-MEPCM在H2还原模式下的温度评估表明，在没有潜热的情况下，温度下降了约80°C，而在有潜热的情况下，温度保持在约640°C。此外，潜热（约2940 J）与热量吸收（约1809 J）相比足够大。因此，将MEPCM与氧存储材料结合用于CL过程的热调控策略，在工业过程中具有很大的应用潜力。研究成果以“Passive thermal regulation using a phase change material for chemical-loop reverse water–gas shift reaction”为题发表在《Chemical Engineering Journal》期刊。

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图文导读

图1. 用于测试复合颗粒温控性能的克级反应器。

图2. 有无潜热情况下采用的温度条件的示意图。

图3. (a) Al-MEPCM和Fe2O3/Al-MEPCM物种的XRD图谱。

(b) 记录的Al-MEPCM和Fe2O3/Al-MEPCM物种的DSC曲线。

图4. (a) Al-MEPCM的SEM图像。

(b) Fe2O3/Al-MEPCM的SEM图像和EDS元素映射图像。

图5. 复合材料截面的SEM和EDS元素映射图像。

图6. Fe2O3/Al-MEPCM RWGS-CL的氧化还原性能：(a) CO2再氧化半周期中的产气量；(b) 当前CL-RWGS与之前文献中CO2分解速率的比较；以及(c) 样品中Fe2O3含量对CO生成速率和潜热的影响。

图7. 在等温氧化还原循环过程中三种体系的储氧能力比。

图8. Fe2O3/Al-MEPCM经过50次氧化还原循环后的SEM和EDS元素映射问题。

图9. 在有潜热和无潜热的情况下，复合材料还原过程中T50（50毫米）处的温度曲线和H2转化率。

来源：洞见热管理

论文链接：Chemical Engineering Journal

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原标题：《【复材资讯】一种可实现无源热调控的相变材料》

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