Углеродный аэрогель из отходов морепродуктов предотвращает утечку тепла и сохраняет 97% теплоемкости
Группа учёных-материаловедов разработала биоуглеродный материал, способный решить одну из самых сложных проблем в области аккумулирования тепловой энергии — утечку теплоносителя в процессе плавления. Новый материал эффективно сохраняет тепло, сохраняя при этом свою структурную целостность даже при переходе запасающего тепло вещества из твёрдого в жидкое состояние.
Исследование сфокусировано на материалах с фазовым переходом, которые поглощают и выделяют тепло в процессе плавления и затвердевания. Такие материалы широко изучаются для применения в самых разных областях — от климатического контроля зданий до сохранения солнечной энергии и управления тепловыми режимами электроники. Однако многие органические материалы с фазовым переходом текут при плавлении, что ограничивает их долговечность и практическое применение.
Для решения этой проблемы исследователи обратились к хитину — природному полимеру, содержащемуся в панцирях ракообразных и в грибах. Хитин является доступным, возобновляемым ресурсом и часто выбрасывается как отход, что делает его привлекательной основой для создания экологичных материалов. В рамках исследования учёные преобразовали хитин в ультралёгкий аэрогель, который затем был карбонизирован для получения пористой углеродной матрицы. Эта структура была предназначена для удержания стеариновой кислоты — распространённого органического материала с фазовым переходом, известного высокой теплоёмкостью, но также и склонностью к протечкам.
Полученный углеродный аэрогель на основе хитина обладает разветвлённой сетью пор с большим объёмом. Эти поры физически удерживают расплавленную стеариновую кислоту, а капиллярные силы и водородные связи предотвращают её вытекание в процессе плавления. Как пояснил автор исследования Хуи Ли, целью было создание недорогой и экологически чистой основы, способной удерживать большие количества материала с фазовым переходом без протечек. Хитин является доступным, возобновляемым и естественным образом богат азотом.
Итоговый композитный материал может содержать до 60 процентов стеариновой кислоты по массе без видимых протечек. Даже когда стеариновая кислота плавится, общая структура остаётся твёрдой, что решает ключевую проблему многих органических систем с фазовым переходом. Тепловые испытания показали, что композит обладает высокой способностью накапливать тепло — около 118 джоулей на грамм, что превышает аналогичные показатели многих ранее описанных материалов на биологической основе. Углеродная матрица также улучшила теплопроводность, позволяя теплу более эффективно проникать в материал и выделяться из него.
Важным аспектом исследования стала долговечность материала. После 100 циклов нагрева и охлаждения композит сохранил более 97 процентов своей первоначальной теплоаккумулирующей способности, с незначительным изменением температуры фазового перехода. Учёные отмечают, что долгосрочная надёжность крайне важна для практических систем хранения энергии. Полученные результаты демонстрируют, что углеродный аэрогель на основе хитина может многократно накапливать и отдавать тепло.
Исследователи также обнаружили, что наноразмерное удержание стеариновой кислоты в порах углеродной матрицы увеличивает энергию активации, необходимую для фазового перехода. Это указывает на повышенную термическую стабильность, обусловленную взаимодействиями между азотсодержащей углеродной поверхностью и органическими молекулами. Поскольку хитин может быть получен из отходов морепродуктов и грибной биомассы, данный подход открывает путь к преобразованию биологических побочных продуктов в высокоэффективные энергетические материалы. Учёные полагают, что эта стратегия может быть адаптирована и для других материалов с фазовым переходом, работающих в различных температурных диапазонах, открывая возможности для создания более экологичных систем хранения тепловой энергии.