溶胶-凝胶法制备多功能微胶囊相变储热材料开题报告

全文总字数：8027字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1课题目的

近些年以来，随着人类经济社会的不断发展，城市化和工业化程度的不断增加，人们对于化石燃料的需求量大大增加。然而化石燃料的过度使用，导致了严重的能源短缺和对环境的极大破坏^[1]，造成了经济、社会、生态、环境等一系列问题，在全世界范围内造成了巨大的损失^[2]。因此，新型能源的开发和新型储能系统的研究迫在眉睫，以期能够减弱甚至取代化石燃料在人类社会中当前的地位和影响，受到了全世界科学界和工业界的广泛关注^[3]。储热技术是为了平衡许多能源利用系统中存在的不协调的供能和耗能之间关系的，避免不合理的能量利用及大量的能量浪费，因此热能储存是当前能源储存体系中最受欢迎的形式^[4]，正成为减少化石燃料的使用，节能环保的有效途径之一。广义上的储热技术包括储热技术和储冷技术两种，其中储热技术包括显热储热和相变储热。显热储热是利用材料自身的比热容来储存或释放热能，相变储热是利用相变材料（pcm）发生相变时吸收或释放热能量来储存或释放热能^[5]。由于在相变过程中相变材料潜热密度高、温度几乎恒定^[6]，被认为是高效利用能源以减少对传统化石能源依赖的良好候选材料^[7]。

但是传统的相变储热技术在使用中会出现种种问题。当采用无封装的相变材料时，往往需要采用特殊的潜热交换装置，设计特殊的热交换表面，导致pcm的使用成本居高不下；而熔融状态的相变材料往往会轻易地扩散到其它材料之中，或者挥发到空气之中，造成相变材料的泄漏。同时，采用无封装的相变材料时，往往也会产生相分离以及腐蚀性等问题，导致使用过程中拥有诸多局限和不足^[8]，因此一般不采用无封装的相变材料^[9]，而是在pcm的表面制造形成一层致密的壳，即采用相变储热微胶囊技术来有效地解决此类问题。而由于这层壳体的存在，导致微胶囊化pcm往往具有很多无封装的pcm所不具有的性质和特点，例如光催化性能以及杀菌能力等，拓宽了相变储热技术的应用领域^[10]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1. 通过溶胶-凝胶法制备微胶囊相变储热材料

2. 采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对微胶囊样品进行结构表征

3. 采用扫描电子显微镜（SEM）研究微胶囊样品的微观结构和化学组成

4. 采用透射电子显微镜（TEM）观察微胶囊样品微观结构

5. 采用X射线光电子能谱（XPS）分析微胶囊表面的化学成分

6. 采用X射线粉末衍射（XRD）观察二氧化钛壳XRD图像

7. 测量微胶囊样品的光降解速率

8. 测量微胶囊样品的热导率

9. 采用差示扫描量热法分析微胶囊样品的相变特性

10. 采用热重分析法检测微胶囊样品的热稳定性

2.2 研究目标

1. 通过溶胶-凝胶法获得微胶囊相变储热材料

2. 通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确定微胶囊样品结构

3. 通过扫描电子显微镜（SEM）确定微胶囊样品的微观结构和化学组成

4. 通过透射电子显微镜（TEM）确定微胶囊样品微观结构

5. 通过X射线光电子能谱（XPS）确定微胶囊表面的化学成分

6. 通过X射线粉末衍射（XRD）获得二氧化钛壳XRD图像

7. 确定微胶囊相变材料光催化速率的影响因素

8. 确定微胶囊相变材料热导率及影响因素

9. 通过差示扫描量热法确定微胶囊样品的相变特性

10. 通过热重分析法确定微胶囊样品的热稳定性

2.3 技术方案

1. 通过溶胶-凝胶法制备二氧化钛封装并添加单层氧化石墨烯的正二十烷微胶囊相变储热材料：

   以钛酸正四丁酯（TBT）、甲酰胺、单层氧化石墨烯（GO）、NaF、乙醇、正二十烷、十二烷基硫酸钠（SDS）和去离子水为原料，制备微胶囊相变储热材料样品，其流程如下：

   2.采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对微胶囊样品进行结构表征：

   将微胶囊取样后进行红外光谱分析，以表征所得微胶囊样品的化学结构。

   3.采用扫描电子显微镜（SEM）研究微胶囊样品的微观结构和化学组成：

   采用SEM电子显微镜和EDX光谱仪研究微胶囊的微观结构和微胶囊壳的化学组成。

   4.采用透射电子显微镜（TEM）观察微胶囊样品微观结构：

   将样品分散在乙醇中，收集部分样品，用于透射电子显微镜观察。

   5.采用X射线光电子能谱（XPS）确定微胶囊表面的化学成分：

   将微胶囊样品置于X光电子能谱仪，对微胶囊的表面化学成分进行XPS分析，测定钛和氧的原子组成，以确定TiO₂壳层是否形成。

   6.采用X射线粉末衍射（XRD）观察二氧化钛壳XRD图像：

   强力研磨微胶囊样品，在进行XRD测试之前用乙醇多次提取，得到TiO₂壳的XRD图案。

   7.确定微胶囊相变材料光催化速率的影响因素：

   将一定质量的微胶囊样品分散在盛装亚甲基蓝溶液的烧杯中，然后将悬浮液在黑暗环境中磁力搅拌，以达到吸附平衡。用紫外光照射悬浮液，在此期间，每隔一段时间从烧杯中取出一定体积的水悬浮液，用于亚甲蓝溶液的浓度分析。实验重复五次，获得微胶囊样品的光降解速率。

   8.测量微胶囊样品的热导率：

   分别测量纯TiO₂、微胶囊样品和纯正二十烷的热导率，每组测量五次取平均值。

   9.采用差示扫描量热法分析微胶囊样品的相变特性：

   使用差示扫描量热计，分析微胶囊样品的相变特性。

   10.采用热重分析法检测微胶囊样品的热稳定性：

   将一定质量的样品置于铝坩埚中，放入热重分析仪，然后以一定的加热速率从室温升至约1000℃，以确定微胶囊样品的热稳定性。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关献资料，完成英翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术案，并完成开题报告。

第4－7周：按照设计方案，制备多功能微胶囊相变储热材料。

第8－11周：对微胶囊样品进测试表征。

4. 参考文献（12篇以上）

1. wu x , fan m , cui s , et al. novel na₂so₄ @sio₂, phase change material with core-shell structures for high temperature thermal storage[j]. solar energy materials and solar cells, 2018, 178:280-288.

2. ling, z., zhang, z., shi, g., fang, x., wang, l., gao, x., fang, y., xu, t., wang, s., liu, x., 2014. review on thermal management systems using phase change materials for electronic components, li-ion batteries and photovoltaic modules. renew. sustain. energy rev. 31,427–438.

3. kenisarin, m.m., 2014. thermophysical properties of some organic phase change materials for latent heat storage. a review. sol. energy 107, 553–575.

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