吸满石蜡的海泡石变成了神奇储热海绵

随着传统化石能源的短缺以及环境问题的加剧，地热能、太阳能等可持续能源的开发利用变得至关重要。众多节能技术中，“热能存储技术”（TES）就像是为热量建立了一座“银行”：在环境温度高时，它把多余的热量“存”起来；等环境温度下降，再把热量“取”出来释放回环境中。

这座“热量银行”里，发挥核心作用的是相变材料（PCMs）。石蜡就是其中备受瞩目的一种材料，它价格亲民，且在熔化和凝固的过程中能够吸收或释放大量的热能（即拥有很高的潜热）。石蜡有一个很棘手的问题：当它吸收热量熔化成液态时非常容易发生泄漏，极大地限制了它在实际生活中的应用。

为了解决这个问题，科学家们给石蜡找一个微观的“海绵容器”，把液态的石蜡牢牢锁在里面。大自然中有一种名为海泡石（Sepiolite）的硅酸盐矿物。它价格低廉（每公斤仅需0.4到0.6美元）、储量丰富，且内部呈现出多孔的纤维状结构，拥有极大的比表面积，是天然的微观容器。

刚从矿床里开采出来的天然海泡石纯度较低，微观孔道里常常被杂质堵塞。为了让它成为更好的“海绵”，需要对天然海泡石进行了一场“洗礼”：先用水和特定溶液浸泡，洗去表面的杂质。再用20%的盐酸溶液进行酸处理（酸化），不仅能清除孔道深处的杂质，还能起到扩孔的作用。经过处理后的海泡石（简称TSEP），其储热和吸附潜力被彻底激发了出来。

材料准备好后，研究人员采用了简单而高效的真空浸渍法来将两者结合。如论文中的图1（Fig. 1）所示，研究人员首先将石蜡加热至80℃使其完全熔化成液体，然后将海泡石粉末加入其中搅拌。接着，把它们放入-0.1 kPa的真空环境中保持24小时。在真空的负压作用下，液态石蜡被强行“吸”进了海泡石的微观孔道中。最后，用滤纸吸走表面多余的石蜡，一款全新的“定型相变材料”就诞生了。

电子显微镜下（如图2和图4所示），可以清晰地看到海泡石的纤维结构。未经处理的海泡石有许多杂质，而酸处理后的海泡石孔隙明显变得更加通透。比如其中一种海泡石在处理后，比表面积提升了65.86%（达到了105.35 m²/g）。石蜡均匀地填充在这些孔道中，这主要得益于物理层面的毛细管力和表面张力。

高温防漏测试是对该材料最直观的考验（如图12所示）。研究人员将纯石蜡和复合材料压成相同形状的圆柱体，然后放在滤纸上加热到80℃，并保持了60分钟：纯石蜡完全融化并四处流淌，把滤纸浸透了；而装在海泡石“海绵”里的复合材料，却如同固体一样完美保持了最初的形状，没有发生任何液体泄漏。

储热能力大比拼：测试表明，处理后的海泡石最多可以吸附高达35.18%的石蜡。使得复合材料展现出了出色的储热能力，其最高熔化潜热达到了60.12 J/g，相对焓效率高达94.45%。意味着储存在里面的石蜡几乎能够百分之百地发挥其吸热和放热的作用。

一款好的材料不能只是一次性的。研究人员让这款材料经历了200次的反复加热熔化与冷却凝固循环。结果显示，其化学结构依然稳定，储热能力的损耗甚至不到4%。证明它拥有极高的热稳定性和使用寿命。

为了模拟材料在实际生活中的表现，研究人员搭建了一个余热回收测试系统（如图13所示）。将材料放在90℃的高温热源上，并用红外热像仪记录温度变化（如图14所示）。在红外图像中，蓝色代表低温，红色代表高温。

吸热过程：当遇到高温时，优质的海泡石/石蜡复合材料能够迅速吸收热量并将其转化为潜热储存起来，从而有效地减缓了物体表面温度的上升速度，起到了防过热的隔热效果。

放热过程：当环境冷却时，该材料又会逐渐将储存的热量释放出来，使得其表面温度能够较长时间地维持在50℃到55℃左右，大大减缓了温度骤降的速度。

学者介绍：刘屹东，中国科学院力学研究所研究员、博士生导师，国家级特聘专家。主要从事高性能材料与器件、合成化学及功能材料研究，研究内容涉及高性能聚合物与复合材料、新能源与储能材料、热管理与相变材料、石墨烯及二维材料等方向，聚焦材料结构设计、合成制备与性能调控，以及先进功能材料在能源存储、电子器件和工程应用中的关键科学与技术问题。

ORCID：0000-0002-8412-9076

DOI：10.1016/j.solmat.2021.111300

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