Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có kết quả tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng phiên bản trình duyệt mới hơn (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi đang hiển thị trang web mà không có kiểu dáng hoặc JavaScript.
Axit stearic (SA) được sử dụng làm vật liệu chuyển pha (PCM) trong các thiết bị lưu trữ năng lượng. Trong nghiên cứu này, phương pháp sol-gel được sử dụng để vi bao bọc chất hoạt động bề mặt trong lớp vỏ SiO2. Các lượng SA khác nhau (5, 10, 15, 20, 30 và 50 g) được bao bọc trong 10 mL tetraethyl orthosilicate (TEOS). Vật liệu chuyển pha vi bao bọc tổng hợp (MEPCM) được đặc trưng bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ quang điện tử tia X (XPS) và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả đặc trưng cho thấy SA đã được bao bọc thành công bởi SiO2. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) cho thấy MEPCM có độ ổn định nhiệt tốt hơn CA. Sử dụng phép đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC), người ta thấy rằng giá trị enthalpy của MEPCM không thay đổi ngay cả sau 30 chu kỳ gia nhiệt-làm nguội. Trong tất cả các mẫu vi nang hóa, 50 g SA chứa MEPCM có nhiệt ẩn nóng chảy và đông đặc cao nhất, lần lượt là 182,53 J/g và 160,12 J/g. Giá trị hiệu suất đóng gói được tính toán bằng cách sử dụng dữ liệu nhiệt và hiệu suất cao nhất được tìm thấy ở cùng mẫu đó, đạt 86,68%.
Khoảng 58% năng lượng sử dụng trong ngành xây dựng là để sưởi ấm và làm mát các tòa nhà¹. Do đó, điều cần thiết nhất là tạo ra các hệ thống năng lượng hiệu quả có tính đến ô nhiễm môi trường². Công nghệ nhiệt ẩn sử dụng vật liệu chuyển pha (PCM) có thể lưu trữ năng lượng cao ở nhiệt độ dao động thấp^3,4,5,6 và có thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như truyền nhiệt, lưu trữ năng lượng mặt trời, hàng không vũ trụ và điều hòa không khí^7,8,9. PCM hấp thụ năng lượng nhiệt từ bên ngoài tòa nhà vào ban ngày và giải phóng năng lượng vào ban đêm¹⁰. Vì vậy, vật liệu chuyển pha được khuyến nghị sử dụng làm vật liệu lưu trữ năng lượng nhiệt. Ngoài ra, có nhiều loại PCM khác nhau như rắn-rắn, rắn-lỏng, lỏng-khí và rắn-khí¹¹. Trong số đó, các vật liệu chuyển pha phổ biến và được sử dụng thường xuyên nhất là vật liệu chuyển pha rắn-rắn và vật liệu chuyển pha rắn-lỏng. Tuy nhiên, việc ứng dụng chúng rất khó khăn do sự thay đổi thể tích lớn của vật liệu chuyển pha lỏng-khí và rắn-khí.
Vật liệu chuyển pha (PCM) có nhiều ứng dụng nhờ các đặc tính của nó: những loại nóng chảy ở nhiệt độ dưới 15°C có thể được sử dụng trong hệ thống điều hòa không khí để duy trì nhiệt độ lạnh, và những loại nóng chảy ở nhiệt độ trên 90°C có thể được sử dụng trong hệ thống sưởi để ngăn ngừa hỏa hoạn12. Tùy thuộc vào ứng dụng và phạm vi điểm nóng chảy, nhiều vật liệu chuyển pha khác nhau đã được tổng hợp từ các hóa chất hữu cơ và vô cơ khác nhau13,14,15. Parafin là vật liệu chuyển pha được sử dụng phổ biến nhất với nhiệt ẩn cao, không ăn mòn, an toàn và phạm vi điểm nóng chảy rộng16,17,18,19,20,21.
Tuy nhiên, do tính dẫn nhiệt thấp của vật liệu chuyển pha, chúng cần được bao bọc trong một lớp vỏ (lớp ngoài) để ngăn chặn sự rò rỉ của vật liệu nền trong quá trình chuyển pha22. Ngoài ra, các lỗi vận hành hoặc áp suất bên ngoài có thể làm hỏng lớp ngoài (lớp phủ), và vật liệu chuyển pha nóng chảy có thể phản ứng với vật liệu xây dựng, gây ăn mòn các thanh thép nhúng, do đó làm giảm khả năng sử dụng của tòa nhà23. Vì vậy, điều quan trọng là phải tổng hợp các vật liệu chuyển pha được bao bọc với đủ vật liệu vỏ, có thể giải quyết các vấn đề trên24.
Vi bao bọc vật liệu chuyển pha có thể tăng cường hiệu quả truyền nhiệt, giảm phản ứng với môi trường và kiểm soát sự thay đổi thể tích. Nhiều phương pháp đã được phát triển để bao bọc PCM, cụ thể là trùng hợp giao diện25,26,27,28, trùng hợp tại chỗ29,30,31,32, đông tụ33,34,35 và quy trình sol-gel36,37,38,39. Nhựa formaldehyde có thể được sử dụng để vi bao bọc40,41,42,43. Nhựa melamine-formaldehyde và urea-formaldehyde được sử dụng làm vật liệu vỏ, thường phát thải formaldehyde độc ​​hại trong quá trình hoạt động. Do đó, các vật liệu này bị cấm sử dụng trong các quy trình đóng gói. Tuy nhiên, vật liệu chuyển pha thân thiện với môi trường để lưu trữ năng lượng nhiệt quy mô lớn có thể được tổng hợp bằng cách sử dụng các nanocapsule lai dựa trên axit béo và lignin44.
Zhang và cộng sự 45 đã tổng hợp axit lauric từ tetraethyl orthosilicate và kết luận rằng khi tỷ lệ thể tích của methyltriethoxysilane so với tetraethyl orthosilicate tăng lên, nhiệt ẩn giảm và độ kỵ nước bề mặt tăng lên. Axit lauric có thể là vật liệu lõi tiềm năng và hiệu quả cho sợi bông gòn46. Ngoài ra, Latibari và cộng sự 47 đã tổng hợp PCM dựa trên axit stearic bằng cách sử dụng TiO2 làm vật liệu vỏ. Zhu và cộng sự đã điều chế các nang nano n-octadecane và silicon làm PCM tiềm năng48. Từ việc xem xét tài liệu, rất khó để hiểu được liều lượng khuyến cáo để tạo ra các vật liệu chuyển pha vi nang hiệu quả và ổn định.
Do đó, theo hiểu biết của các tác giả, lượng vật liệu chuyển pha được sử dụng để vi bao bọc là một thông số quan trọng để sản xuất vật liệu chuyển pha vi bao bọc hiệu quả và ổn định. Sử dụng các lượng vật liệu chuyển pha khác nhau sẽ cho phép chúng ta làm rõ các đặc tính và độ ổn định khác nhau của vật liệu chuyển pha vi bao bọc. Axit stearic (axit béo) là một chất thân thiện với môi trường, quan trọng về mặt y tế và tiết kiệm chi phí, có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng nhiệt vì nó có giá trị enthalpy cao (~200 J/g) và có thể chịu được nhiệt độ lên đến 72 °C. Ngoài ra, SiO2 không bắt lửa, cung cấp độ bền cơ học cao hơn, dẫn nhiệt tốt hơn và khả năng kháng hóa chất tốt hơn cho vật liệu lõi, và hoạt động như một vật liệu pozzolanic trong xây dựng. Khi xi măng được trộn với nước, các vật liệu chuyển pha (PCM) được bao bọc kém có thể bị nứt do mài mòn cơ học và nhiệt độ cao (nhiệt thủy hóa) sinh ra trong các cấu trúc bê tông lớn. Do đó, việc sử dụng CA vi bao bọc với lớp vỏ SiO2 có thể giải quyết vấn đề này. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này là điều tra hiệu suất và hiệu quả của vật liệu thay đổi pha (PCM) được tổng hợp bằng quy trình sol-gel trong các ứng dụng xây dựng. Trong công trình này, chúng tôi đã nghiên cứu một cách có hệ thống các lượng SA (làm vật liệu cơ bản) khác nhau là 5, 10, 15, 20, 30 và 50 g được bao bọc trong lớp vỏ SiO2. Một lượng tetraethylorthosilicate (TEOS) cố định với thể tích 10 ml được sử dụng làm dung dịch tiền chất để tạo thành lớp vỏ SiO2.
Axit stearic loại phản ứng (SA, C18H36O2, điểm nóng chảy: 72°C) được sử dụng làm nguyên liệu lõi, mua từ Công ty TNHH Hóa chất & Kim loại Daejung, Gyeonggi-do, Hàn Quốc. Dung dịch tiền chất tetraethylorthosilicate (TEOS, C8H20O4Si) được mua từ Acros Organics, Geel, Bỉ. Ngoài ra, etanol tuyệt đối (EA, C2H5OH) và natri lauryl sulfat (SLS, C12H25NaO4S) cũng được mua từ Công ty TNHH Hóa chất & Kim loại Daejung, Gyeonggi-do, Hàn Quốc và được sử dụng làm dung môi và chất hoạt động bề mặt tương ứng. Nước cất cũng được sử dụng làm dung môi.
Các lượng SA khác nhau được trộn với các tỷ lệ natri lauryl sulfat (SLS) khác nhau trong 100 mL nước cất bằng máy khuấy từ ở tốc độ 800 vòng/phút và 75 °C trong 1 giờ (Bảng 1). Các nhũ tương SA được chia thành hai nhóm: (1) 5, 10 và 15 g SA được trộn với 0,10 g SLS trong 100 ml nước cất (SATEOS1, SATEOS2 và SATEOS3), (2) 20, 30 và 50 g SA được trộn với 0,15, 0,20 và 0,25 g SLS trong 100 ml nước cất (SATEOS4, SATEOS5 và SATEOS6). 0,10 g SLS được sử dụng với 5, 10 và 15 g SA để tạo thành các nhũ tương tương ứng. Tiếp theo đó, người ta đề xuất tăng số lượng SLS cho SATEOS4, SATEOS5 và SATEOS6. Bảng 1 thể hiện tỷ lệ CA và SLS được sử dụng để thu được dung dịch nhũ tương ổn định.
Cho 10 ml TEOS, 10 ml ethanol (EA) và 20 ml nước cất vào cốc thủy tinh 100 ml. Để nghiên cứu hiệu quả bao bọc của các tỷ lệ khác nhau giữa SA và lớp vỏ SiO2, hệ số tổng hợp của tất cả các mẫu đã được ghi lại. Hỗn hợp được khuấy bằng máy khuấy từ ở tốc độ 400 vòng/phút và 60°C trong 1 giờ. Sau đó, dung dịch tiền chất được thêm từng giọt vào nhũ tương SA đã chuẩn bị, khuấy mạnh ở tốc độ 800 vòng/phút và 75°C trong 2 giờ, và lọc để thu được bột màu trắng. Bột màu trắng được rửa bằng nước cất để loại bỏ SA dư và sấy khô trong lò chân không ở 45°C trong 24 giờ. Kết quả là, thu được SC được vi bao bọc với lớp vỏ SiO2. Toàn bộ quá trình tổng hợp và điều chế SA được vi bao bọc được thể hiện trong Hình 1.
Các vi nang SA có lớp vỏ SiO2 được điều chế bằng phương pháp sol-gel, và cơ chế bao bọc của chúng được thể hiện trong Hình 2. Bước đầu tiên bao gồm việc chuẩn bị nhũ tương SA trong dung dịch nước với SLS làm chất hoạt động bề mặt. Trong trường hợp này, đầu kỵ nước của phân tử SA liên kết với SLS, và đầu ưa nước liên kết với các phân tử nước, tạo thành một nhũ tương ổn định. Do đó, các phần kỵ nước của SLS được bảo vệ và bao phủ bề mặt của giọt SA. Mặt khác, quá trình thủy phân dung dịch TEOS diễn ra chậm bởi các phân tử nước, dẫn đến sự hình thành TEOS bị thủy phân khi có mặt ethanol (Hình 2a) 49,50,51. TEOS bị thủy phân trải qua phản ứng ngưng tụ, trong đó TEOS bị thủy phân tạo thành các cụm silica (Hình 2b). Các cụm silica được bao bọc bởi SA52 khi có mặt SLS (Hình 2c), được gọi là quá trình vi bao bọc.
Sơ đồ minh họa quá trình vi bao bọc CA bằng lớp vỏ SiO2: (a) thủy phân TEOS (b) ngưng tụ sản phẩm thủy phân và (c) bao bọc CA bằng lớp vỏ SiO2.
Phân tích hóa học của SA dạng khối và SA được vi bao bọc được thực hiện bằng máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA) và phổ được ghi lại trong phạm vi từ 500 đến 4000 cm-1.
Máy nhiễu xạ tia X (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Nhật Bản) được sử dụng để phân tích các pha SA khối và vật liệu vi nang. Quá trình quét cấu trúc tia X được thực hiện trong phạm vi 2θ = 5°–95° với tốc độ quét 4°/phút, sử dụng bức xạ Cu-Kα (λ = 1,541 Å), điều kiện hoạt động 25 kV và 100 mA, ở chế độ quét liên tục. Hình ảnh tia X được xây dựng trong phạm vi 2θ = 5–50°, vì không có đỉnh nào được quan sát thấy sau 50° trong tất cả các mẫu.
Phổ quang điện tử tia X (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) được thực hiện bằng cách sử dụng nguồn tia X Al Kα (1486,6 eV) để hiểu trạng thái hóa học của SA khối cũng như các nguyên tố có trong vật liệu bao bọc. Phổ XPS thu được đã được hiệu chuẩn theo đỉnh C 1s bằng cách sử dụng carbon ngoại lai (năng lượng liên kết 284,6 eV). Sau khi hiệu chỉnh nền bằng phương pháp Shirley, các đỉnh có độ phân giải cao của mỗi nguyên tố đã được tách thành các phần tử và được khớp với các hàm Gaussian/Lorentzian bằng phần mềm CASA XPS.
Hình thái học của SC dạng khối và SC được vi bao bọc được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Cộng hòa Séc) được trang bị quang phổ tán xạ tia X năng lượng (EDS) ở điện áp 15 kV. Trước khi chụp ảnh SEM, các mẫu được phủ một lớp bạch kim (Pt) để tránh hiện tượng tích điện.
Các đặc tính nhiệt (điểm nóng chảy/đông đặc và nhiệt ẩn) và độ tin cậy (chu kỳ nhiệt) được xác định bằng phương pháp đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) với tốc độ gia nhiệt/làm nguội là 10 °C/phút ở 40 °C và 90 °C với dòng khí nitơ liên tục. Phân tích giảm khối lượng được thực hiện bằng máy phân tích TGA (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) trong dòng khí nitơ liên tục bắt đầu từ nhiệt độ 40–600 °C, với tốc độ gia nhiệt là 10 °C/phút.
Hình 3 thể hiện phổ FTIR của SC dạng khối cũng như SC được vi bao (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 và SATEOS6). Các đỉnh hấp thụ ở 2910 cm-1 và 2850 cm-1 trong tất cả các mẫu (SA cũng như SA được vi bao) được quy cho các dao động kéo giãn đối xứng của các nhóm –CH3 và –CH2, tương ứng10,50. Đỉnh ở 1705 cm-1 tương ứng với dao động kéo giãn của liên kết C=O. Các đỉnh ở 1470 cm-1 và 1295 cm-1 được quy cho dao động uốn trong mặt phẳng của nhóm chức –OH, trong khi các đỉnh ở 940 cm-1 và 719 cm-1 tương ứng với dao động trong mặt phẳng và dao động biến dạng mặt phẳng, tương ứng của nhóm –OH. Các đỉnh hấp thụ của SA ở 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 và 719 cm-1 cũng được quan sát thấy trong tất cả các SA được vi bao. Ngoài ra, một đỉnh mới được phát hiện ở 1103 cm-1 tương ứng với dao động kéo giãn bất đối xứng của liên kết Si-O-Si đã được quan sát thấy trong vi nang SA. Kết quả FT-IR phù hợp với nghiên cứu của Yuan et al. 50. Họ đã điều chế thành công SA được vi bao trong tỷ lệ amoniac/ethanol và nhận thấy không có tương tác hóa học nào xảy ra giữa SA và SiO2. Kết quả của nghiên cứu FT-IR hiện tại cho thấy lớp vỏ SiO2 đã bao bọc thành công SA (lõi) thông qua quá trình ngưng tụ và trùng hợp TEOS thủy phân. Ở hàm lượng SA thấp hơn, cường độ đỉnh của liên kết Si-O-Si cao hơn (Hình 3b-d). Khi lượng SA tăng lên hơn 15 g, cường độ đỉnh và độ rộng của dải Si-O-Si giảm dần, cho thấy sự hình thành một lớp mỏng SiO2 trên bề mặt của SA.
Phổ FTIR của (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 và (g) SATEOS6.
Hình 4 thể hiện các mẫu XRD của SA dạng khối và SA được vi bao bọc. Các đỉnh XRD nằm ở 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}theo JCPDS số 0381923, 02)\), 21,42° trong tất cả các mẫu (311), 24,04° (602) và 39,98° (913) được gán cho SA. Sự biến dạng và lai tạp với CA dạng khối do các yếu tố không chắc chắn như chất hoạt động bề mặt (SLS), các chất dư khác và quá trình vi bao bọc SiO250. Sau khi quá trình bao bọc diễn ra, cường độ của các đỉnh chính (300), (500), (311) và (602) giảm dần so với CA khối, cho thấy sự giảm độ kết tinh của mẫu.
Hình ảnh XRD của (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 và (g) SATEOS6.
Cường độ của SATEOS1 giảm mạnh so với các mẫu khác. Không có đỉnh nào khác được quan sát thấy trong tất cả các mẫu được vi bao (Hình 4b–g), điều này xác nhận rằng sự hấp phụ vật lý của SiO252 xảy ra trên bề mặt SA chứ không phải tương tác hóa học. Ngoài ra, cũng có thể kết luận rằng việc vi bao SA không dẫn đến sự xuất hiện của bất kỳ cấu trúc mới nào. SiO2 vẫn còn nguyên vẹn trên bề mặt SA mà không có bất kỳ phản ứng hóa học nào, và khi lượng SA giảm, các đỉnh hiện có trở nên rõ ràng hơn (SATEOS1). Kết quả này cho thấy SiO2 chủ yếu bao phủ bề mặt SA. Đỉnh tại (700) biến mất hoàn toàn, và đỉnh tại \((\overline{5}02)\) trở thành một gờ trong SATEOS 1 (Hình 4b), điều này liên quan đến độ kết tinh giảm và tính vô định hình tăng lên. SiO2 có bản chất vô định hình, do đó các đỉnh quan sát được từ 2θ = 19° đến 25° có gờ và mở rộng53 (Hình 4b–g), điều này xác nhận sự tồn tại của SiO2 vô định hình52. Cường độ đỉnh nhiễu xạ thấp hơn của SA được vi bao bọc là do hiệu ứng tạo mầm của thành trong silica và hành vi kết tinh hạn chế49. Người ta tin rằng với hàm lượng SA thấp hơn, lớp vỏ silica dày hơn được hình thành do sự hiện diện của một lượng lớn TEOS, được hấp phụ phần lớn trên bề mặt ngoài của SA. Tuy nhiên, khi lượng SA tăng lên, diện tích bề mặt của các giọt SA trong dung dịch nhũ tương tăng lên và cần nhiều TEOS hơn để bao bọc đúng cách. Do đó, với hàm lượng SA cao hơn, đỉnh SiO2 trong FT-IR bị triệt tiêu (Hình 3), và cường độ của đỉnh nhiễu xạ gần 2θ = 19–25° trong XRF (Hình 4) giảm và độ mở rộng cũng giảm. Không nhìn thấy được. Tuy nhiên, như có thể thấy trong Hình 4, ngay khi lượng SA tăng từ 5 g (SATEOS1) lên 50 g (SATEOS6), các đỉnh trở nên rất gần với SA khối lượng lớn, và đỉnh tại (700) xuất hiện với tất cả cường độ đỉnh được xác định. Kết quả này tương quan với kết quả FT-IR, trong đó cường độ của đỉnh SiO2 SATEOS6 giảm ở 1103 cm-1 (Hình 3g).
Trạng thái hóa học của các nguyên tố có trong SA, SATEOS1 và SATEOS6 được thể hiện trong Hình 1 và 2. Hình 5, 6, 7 và 8 và Bảng 2. Các phép đo quét cho SA, SATEOS1 và SATEOS6 dạng khối được thể hiện trong Hình 5 và các phép quét độ phân giải cao cho C 1s, O 1s và Si 2p được thể hiện trong Hình 5, 6, 7 và 8 và Bảng 2. Các giá trị năng lượng liên kết thu được bằng XPS được tóm tắt trong Bảng 2. Như có thể thấy từ Hình 5, các đỉnh Si 2s và Si 2p rõ ràng được quan sát thấy trong SATEOS1 và SATEOS6, nơi xảy ra hiện tượng vi bao bọc lớp vỏ SiO2. Các nhà nghiên cứu trước đây đã báo cáo một đỉnh Si 2s tương tự ở 155,1 eV54. Sự hiện diện của các đỉnh Si trong SATEOS1 (Hình 5b) và SATEOS6 (Hình 5c) xác nhận dữ liệu FT-IR (Hình 3) và XRD (Hình 4).
Như thể hiện trong Hình 6a, C 1s của SA khối có ba đỉnh khác nhau của CC, caliphatic và O=C=O ở năng lượng liên kết lần lượt là 284,5 eV, 285,2 eV và 289,5 eV. Các đỉnh C–C, caliphatic và O=C=O cũng được quan sát thấy trong SATEOS1 (Hình 6b) và SATEOS6 (Hình 6c) và được tóm tắt trong Bảng 2. Ngoài ra, đỉnh C 1s cũng tương ứng với một đỉnh Si-C bổ sung ở 283,1 eV (SATEOS1) và 283,5 eV (SATEOS6). Năng lượng liên kết quan sát được của chúng tôi đối với C–C, caliphatic, O=C=O và Si–C tương quan tốt với các nguồn khác55,56.
Phổ XPS của O 1 SA, SATEOS1 và SATEOS6 được thể hiện lần lượt trong Hình 7a–c. Đỉnh O 1s của SA khối được phân tích và có hai đỉnh, cụ thể là C=O/C–O (531,9 eV) và C–O–H (533,0 eV), trong khi O 1 của SATEOS1 và SATEOS6 nhất quán, chỉ có ba đỉnh: C=O/C–O, C–O–H và Si–OH55,57,58. Năng lượng liên kết O 1s trong SATEOS1 và SATEOS6 thay đổi nhẹ so với SA khối, điều này liên quan đến sự thay đổi trong mảnh hóa học do sự hiện diện của SiO2 và Si-OH trong vật liệu vỏ.
Phổ XPS Si 2p của SATEOS1 và SATEOS6 được thể hiện trong Hình 8a và 8b tương ứng. Trong CA khối, Si 2p không được quan sát do sự vắng mặt của SiO2. Đỉnh Si 2p tương ứng với 105,4 eV đối với SATEOS1 và 105,0 eV đối với SATEOS6, tương ứng với Si-O-Si, trong khi đỉnh của SATEOS1 là 103,5 eV và đỉnh của SATEOS6 là 103,3 eV, tương ứng với Si-OH. Việc khớp đỉnh Si-O-Si và Si-OH trong SATEOS1 và SATEOS6 cho thấy sự vi bao bọc thành công SiO2 trên bề mặt lõi SA.
Hình thái của vật liệu vi bao rất quan trọng, ảnh hưởng đến độ hòa tan, độ ổn định, khả năng phản ứng hóa học, khả năng chảy và độ bền59. Do đó, SEM đã được sử dụng để mô tả hình thái của SA dạng khối (100×) và SA vi bao (500×), như thể hiện trong Hình 9. Như có thể thấy từ Hình 9a, khối SA có hình elip. Kích thước hạt vượt quá 500 micron. Tuy nhiên, khi quá trình vi bao tiếp tục, hình thái thay đổi đáng kể, như thể hiện trong Hình 9b–g.
Ảnh SEM của (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 và (g) SATEOS6 ở độ phóng đại ×500.
Trong mẫu SATEOS1, quan sát thấy các hạt SA nhỏ hơn, gần như hình cầu, được bao bọc bởi SiO2 với bề mặt thô ráp (Hình 9b), điều này có thể là do quá trình thủy phân và trùng hợp ngưng tụ của TEOS trên bề mặt SA, đẩy nhanh quá trình khuếch tán các phân tử ethanol. Kết quả là, các hạt SiO2 được lắng đọng và quan sát thấy sự kết tụ52,60. Lớp vỏ SiO2 này cung cấp độ bền cơ học cho các hạt CA được vi bao bọc và cũng ngăn ngừa sự rò rỉ của CA nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn10. Kết quả này cho thấy rằng các vi nang SA chứa SiO2 có thể được sử dụng làm vật liệu lưu trữ năng lượng tiềm năng61. Như có thể thấy từ Hình 9b, mẫu SATEOS1 có sự phân bố hạt đồng đều với lớp SiO2 dày bao bọc SA. Kích thước hạt của SA được vi bao bọc (SATEOS1) xấp xỉ 10–20 μm (Hình 9b), nhỏ hơn đáng kể so với SA khối do hàm lượng SA thấp hơn. Độ dày của lớp vi nang là do quá trình thủy phân và trùng hợp ngưng tụ của dung dịch tiền chất. Sự kết tụ xảy ra ở liều lượng SA thấp hơn, tức là lên đến 15 g (Hình 9b-d), nhưng ngay khi tăng liều lượng, không quan sát thấy sự kết tụ, mà thay vào đó là các hạt hình cầu được xác định rõ ràng (Hình 9e-g) 62.
Ngoài ra, khi lượng chất hoạt động bề mặt SLS không đổi, hàm lượng SA (SATEOS1, SATEOS2 và SATEOS3) cũng ảnh hưởng đến hiệu quả, hình dạng và sự phân bố kích thước hạt. Do đó, SATEOS1 được phát hiện có kích thước hạt nhỏ hơn, phân bố đồng đều và bề mặt dày đặc (Hình 9b), điều này được cho là do bản chất ưa nước của SA thúc đẩy sự hình thành mầm thứ cấp dưới lượng chất hoạt động bề mặt không đổi63. Người ta tin rằng bằng cách tăng hàm lượng SA từ 5 đến 15 g (SATEOS1, SATEOS2 và SATEOS3) và sử dụng một lượng chất hoạt động bề mặt không đổi, tức là 0,10 g SLS (Bảng 1), sự đóng góp của mỗi hạt phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ giảm, do đó làm giảm kích thước hạt và sự phân bố kích thước hạt của SATEOS2 (Hình 9c) và SATEOS3 (Hình 9d) khác với sự phân bố của SATEOS 1 (Hình 9b).
So với SATEOS1 (Hình 9b), SATEOS2 cho thấy hình thái dày đặc hơn của SA được vi nang hóa và kích thước hạt tăng lên (Hình 9c). Điều này là do sự kết tụ 49, làm giảm tốc độ đông tụ (Hình 2b). Khi lượng SC tăng lên cùng với sự gia tăng SLS, các vi nang trở nên rõ ràng hơn, như được thể hiện trong Hình cho thấy sự kết tụ xảy ra như thế nào. Ngoài ra, Hình 9e–g cho thấy tất cả các hạt đều có hình dạng và kích thước hình cầu rõ ràng. Người ta đã nhận thấy rằng khi có một lượng lớn SA, một lượng oligomer silica thích hợp có thể được tạo thành, gây ra sự ngưng tụ và bao bọc thích hợp và do đó hình thành các vi nang được xác định rõ ràng49. Từ kết quả SEM, rõ ràng là SATEOS6 đã hình thành các vi nang tương ứng so với một lượng nhỏ SA.
Kết quả phân tích phổ tán xạ tia X năng lượng (EDS) của SA dạng khối và SA dạng vi nang được trình bày trong Bảng 3. Như có thể thấy từ bảng này, hàm lượng Si giảm dần từ SATEOS1 (12,34%) đến SATEOS6 (2,68%). Do đó, ta có thể nói rằng sự gia tăng lượng SA dẫn đến giảm sự lắng đọng SiO2 trên bề mặt SA. Không có giá trị nhất quán cho hàm lượng C và O trong Bảng 3 do phân tích bán định lượng của EDS51. Hàm lượng Si của SA vi nang được tương quan với kết quả FT-IR, XRD và XPS.
Hành vi nóng chảy và đông đặc của SA dạng khối cũng như SA được vi bao bọc với lớp vỏ SiO2 được thể hiện trong Hình 1 và 2. Chúng được thể hiện tương ứng trong Hình 10 và 11, và dữ liệu nhiệt được trình bày trong Bảng 4. Nhiệt độ nóng chảy và đông đặc của SA được vi bao bọc được tìm thấy là khác nhau. Khi lượng SA tăng lên, nhiệt độ nóng chảy và đông đặc tăng lên và tiến gần đến các giá trị của SA dạng khối. Sau khi vi bao bọc SA, thành silica làm tăng nhiệt độ kết tinh, và thành của nó hoạt động như một lõi để thúc đẩy tính không đồng nhất. Do đó, khi lượng SA tăng lên, nhiệt độ nóng chảy (Hình 10) và đông đặc (Hình 11) cũng tăng dần49,51,64. Trong tất cả các mẫu SA được vi bao bọc, SATEOS6 thể hiện nhiệt độ nóng chảy và đông đặc cao nhất, tiếp theo là SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 và SATEOS1.
SATEOS1 cho thấy điểm nóng chảy thấp nhất (68,97 °C) và nhiệt độ đông đặc thấp nhất (60,60 °C), điều này là do kích thước hạt nhỏ hơn, trong đó sự chuyển động của các hạt SA bên trong vi nang rất nhỏ và lớp vỏ SiO2 tạo thành một lớp dày, do đó Vật liệu lõi hạn chế sự kéo giãn và chuyển động49. Giả thuyết này liên quan đến kết quả SEM, trong đó SATEOS1 cho thấy kích thước hạt nhỏ hơn (Hình 9b), điều này là do các phân tử SA bị giới hạn trong một khu vực rất nhỏ của vi nang. Sự khác biệt về nhiệt độ nóng chảy và đông đặc của khối chính, cũng như tất cả các vi nang SA có vỏ SiO2, nằm trong khoảng 6,10–8,37 °C. Kết quả này cho thấy SA được vi nang hóa có thể được sử dụng làm vật liệu lưu trữ năng lượng tiềm năng do tính dẫn nhiệt tốt của lớp vỏ SiO2 65.
Như có thể thấy từ Bảng 4, SATEOS6 có enthalpy cao nhất trong số tất cả các SC được vi bao bọc (Hình 9g) do quá trình bao bọc thích hợp được quan sát bằng SEM. Tỷ lệ đóng gói SA có thể được tính bằng phương trình (1). (1) Bằng cách so sánh dữ liệu nhiệt ẩn của SA49 được vi bao bọc.
Giá trị R biểu thị mức độ bao bọc (%) của SC được bao bọc vi mô, ΔHMEPCM,m biểu thị nhiệt ẩn nóng chảy của SC được bao bọc vi mô và ΔHPCM,m biểu thị nhiệt ẩn nóng chảy của SC. Ngoài ra, hiệu suất đóng gói (%) được tính toán như một thông số kỹ thuật quan trọng khác, như thể hiện trong Phương trình (1). (2)49.
Giá trị E biểu thị hiệu suất bao bọc (%) của CA được vi bao bọc, ΔHMEPCM,s biểu thị nhiệt ẩn đóng rắn của CA được vi bao bọc, và ΔHPCM,s biểu thị nhiệt ẩn đóng rắn của CA.
Như thể hiện trong Bảng 4, độ đóng gói và hiệu quả của SATEOS1 lần lượt là 71,89% và 67,68%, và độ đóng gói và hiệu quả của SATEOS6 lần lượt là 90,86% và 86,68% (Bảng 4). Mẫu SATEOS6 thể hiện hệ số đóng gói và hiệu quả cao nhất trong tất cả các SA được vi đóng gói, cho thấy khả năng chịu nhiệt cao của nó. Do đó, quá trình chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng đòi hỏi một lượng năng lượng lớn. Ngoài ra, sự khác biệt về nhiệt độ nóng chảy và đông đặc của tất cả các vi nang SA và SA khối trong quá trình làm nguội cho thấy lớp vỏ silica bị giới hạn về mặt không gian trong quá trình tổng hợp vi nang. Vì vậy, kết quả cho thấy khi lượng SC tăng lên, tỷ lệ và hiệu quả đóng gói cũng tăng dần (Bảng 4).
Đường cong TGA của SA dạng khối và SA dạng vi nang có lớp vỏ SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 và SATEOS6) được thể hiện trong Hình 12. Tính chất ổn định nhiệt của SA dạng khối (SATEOS1, SATEOS3 và SATEOS6) được so sánh với các mẫu vi nang. Từ đường cong TGA, rõ ràng là sự giảm khối lượng của cả SA dạng khối và SA dạng vi nang đều giảm nhẹ và đều từ 40°C đến 190°C. Ở nhiệt độ này, SC dạng khối không bị phân hủy nhiệt, trong khi SC dạng vi nang giải phóng nước hấp thụ ngay cả sau khi sấy ở 45°C trong 24 giờ. Điều này dẫn đến sự giảm khối lượng nhẹ,49 nhưng vượt quá nhiệt độ này, vật liệu bắt đầu bị phân hủy. Ở hàm lượng SA thấp hơn (ví dụ: SATEOS1), hàm lượng nước hấp thụ cao hơn và do đó sự mất khối lượng lên đến 190°C cao hơn (hình nhỏ trong Hình 12). Ngay khi nhiệt độ tăng lên trên 190 °C, mẫu bắt đầu mất khối lượng do quá trình phân hủy. SA dạng khối bắt đầu phân hủy ở 190°C và chỉ còn lại 4% ở 260°C, trong khi SATEOS1, SATEOS3 và SATEOS6 giữ lại lần lượt 50%, 20% và 12% ở nhiệt độ này. Sau 300 °C, sự mất khối lượng của SA dạng khối là khoảng 97,60%, trong khi sự mất khối lượng của SATEOS1, SATEOS3 và SATEOS6 lần lượt là khoảng 54,20%, 82,40% và 90,30%. Khi hàm lượng SA tăng lên, hàm lượng SiO2 giảm (Bảng 3), và quan sát thấy lớp vỏ mỏng đi trong ảnh SEM (Hình 9). Do đó, sự giảm khối lượng của SA được vi bao bọc thấp hơn so với SA dạng khối, điều này được giải thích bởi các đặc tính thuận lợi của lớp vỏ SiO2, thúc đẩy sự hình thành lớp silicat cacbonat trên bề mặt SA, nhờ đó cô lập lõi SA và làm chậm quá trình giải phóng các sản phẩm dễ bay hơi tạo thành¹⁰. Lớp than này tạo thành một rào cản bảo vệ vật lý trong quá trình phân hủy nhiệt, hạn chế sự chuyển đổi các phân tử dễ cháy sang pha khí^66,67. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể thấy kết quả giảm khối lượng đáng kể: SATEOS1 cho thấy giá trị thấp hơn so với SATEOS3, SATEOS6 và SA. Điều này là do lượng SA trong SATEOS1 ít hơn so với trong SATEOS3 và SATEOS6, nơi lớp vỏ SiO2 tạo thành một lớp dày. Ngược lại, tổng lượng giảm khối lượng của SA dạng khối đạt 99,50% ở 415 °C. Tuy nhiên, SATEOS1, SATEOS3 và SATEOS6 lần lượt cho thấy mức giảm khối lượng là 62,50%, 85,50% và 93,76% ở 415 °C. Kết quả này cho thấy việc bổ sung TEOS cải thiện quá trình phân hủy SA bằng cách tạo thành lớp SiO2 trên bề mặt SA. Các lớp này có thể tạo thành một rào cản bảo vệ vật lý, do đó có thể quan sát thấy sự cải thiện về độ ổn định nhiệt của CA được vi bao bọc.
Kết quả về độ tin cậy nhiệt của SA dạng khối và mẫu vi bọc tốt nhất (tức là SATEOS 6) sau 30 chu kỳ gia nhiệt và làm nguội của DSC51,52 được thể hiện trong Hình 13. Có thể thấy rằng SA dạng khối (Hình 13a) không cho thấy bất kỳ sự khác biệt nào về nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ đông đặc và giá trị enthalpy, trong khi SATEOS6 (Hình 13b) không cho thấy bất kỳ sự khác biệt nào về nhiệt độ và giá trị enthalpy ngay cả sau chu kỳ gia nhiệt thứ 30 và quá trình làm nguội. SA dạng khối cho thấy điểm nóng chảy là 72,10 °C, nhiệt độ đông đặc là 64,69 °C, và nhiệt lượng nóng chảy và đông đặc sau chu kỳ đầu tiên lần lượt là 201,0 J/g và 194,10 J/g. Sau chu kỳ thứ 30, điểm nóng chảy của các giá trị này giảm xuống còn 71,24 °C, nhiệt độ đông đặc giảm xuống còn 63,53 °C, và giá trị enthalpy giảm 10%. Sự thay đổi về nhiệt độ nóng chảy và đông đặc, cũng như sự giảm giá trị enthalpy, cho thấy CA dạng khối không đáng tin cậy cho các ứng dụng không được vi bọc. Tuy nhiên, sau khi quá trình vi bọc diễn ra đúng cách (SATEOS6), nhiệt độ nóng chảy và đông đặc cũng như giá trị enthalpy không thay đổi (Hình 13b). Sau khi được vi bọc bằng lớp vỏ SiO2, SA có thể được sử dụng làm vật liệu chuyển pha trong các ứng dụng nhiệt, đặc biệt là trong xây dựng, nhờ nhiệt độ nóng chảy và đông đặc tối ưu và enthalpy ổn định.
Đường cong DSC thu được cho các mẫu SA (a) và SATEOS6 (b) ở chu kỳ gia nhiệt và làm nguội thứ nhất và thứ 30.
Trong nghiên cứu này, một cuộc điều tra có hệ thống về vi bao bọc đã được thực hiện bằng cách sử dụng SA làm vật liệu lõi và SiO2 làm vật liệu vỏ. TEOS được sử dụng làm tiền chất để tạo thành lớp hỗ trợ SiO2 và lớp bảo vệ trên bề mặt SA. Sau khi tổng hợp thành công SA được vi bao bọc, các kết quả FT-IR, XRD, XPS, SEM và EDS cho thấy sự hiện diện của SiO2. Phân tích SEM cho thấy mẫu SATEOS6 thể hiện các hạt hình cầu được xác định rõ ràng bao quanh bởi lớp vỏ SiO2 trên bề mặt SA. Tuy nhiên, MEPCM với hàm lượng SA thấp hơn thể hiện sự kết tụ, làm giảm hiệu suất của PCM. Phân tích XPS cho thấy sự hiện diện của Si-O-Si và Si-OH trong các mẫu vi nang, cho thấy sự hấp phụ của SiO2 trên bề mặt SA. Theo phân tích hiệu suất nhiệt, SATEOS6 thể hiện khả năng lưu trữ nhiệt hứa hẹn nhất, với nhiệt độ nóng chảy và đông đặc lần lượt là 70,37°C và 64,27°C, và nhiệt ẩn nóng chảy và đông đặc lần lượt là 182,53 J/g và 160,12 J/g. Hiệu suất đóng gói tối đa của SATEOS6 là 86,68%. Phân tích chu kỳ nhiệt TGA và DSC xác nhận rằng SATEOS6 vẫn có độ ổn định và độ tin cậy nhiệt tốt ngay cả sau 30 quá trình gia nhiệt và làm nguội.
Yang T., Wang XY và Li D. Phân tích hiệu suất của hệ thống hấp phụ hỗn hợp rắn-khí nhiệt hóa để lưu trữ năng lượng nhiệt và cải thiện hiệu quả của nó. Kỹ thuật ứng dụng nhiệt. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. và Al-Hallaj, S. Tổng quan về lưu trữ năng lượng bằng phương pháp thay đổi pha: vật liệu và ứng dụng. Quản lý bộ chuyển đổi năng lượng. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS và Saini JS Hiệu suất truyền nhiệt của hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt sử dụng viên nang PCM: đánh giá. cập nhật. hỗ trợ. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. và Bruno, F. Tổng quan về vật liệu lưu trữ và công nghệ nâng cao hiệu suất nhiệt cho hệ thống lưu trữ nhiệt thay đổi pha ở nhiệt độ cao. cập nhật. hỗ trợ. Tạp chí Năng lượng 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM. Chuẩn bị và đặc tính của vật liệu chuyển pha n-tetradecane năng lượng nhiệt được bao bọc nano. Tạp chí kỹ thuật hóa học. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. và Li, M. Tổng hợp vật liệu composite chuyển pha ổn định hình dạng mới bằng cách sử dụng aerogel graphene biến tính để chuyển đổi và lưu trữ năng lượng mặt trời. Vật liệu năng lượng mặt trời. Tế bào năng lượng mặt trời 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., và Fang, G. Đặc điểm hình thái và ứng dụng của vật liệu chuyển pha trong lưu trữ năng lượng nhiệt: tổng quan. cập nhật. hỗ trợ. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).