Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn o borwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y canlyniadau gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio fersiwn newydd o'ch porwr (neu'n analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, rydym yn arddangos y wefan heb steilio na JavaScript.
Defnyddir asid stearig (SA) fel deunydd newid cyfnod (PCM) mewn dyfeisiau storio ynni. Yn yr astudiaeth hon, defnyddiwyd y dull sol-gel i ficro-gapsiwleiddio syrffactydd plisgyn SiO2. Cafodd gwahanol symiau o SA (5, 10, 15, 20, 30, a 50 g) eu capsiwleiddio mewn 10 mL o tetraethyl orthosilicate (TEOS). Nodweddwyd y deunydd newid cyfnod micro-gapsiwleiddio syntheseiddiedig (MEPCM) gan sbectrosgopeg is-goch trawsnewid Fourier (FT-IR), diffractiad pelydr-X (XRD), sbectrosgopeg ffotoelectron pelydr-X (XPS), a microsgopeg electron sganio (SEM). Dangosodd y canlyniadau nodweddu fod SA wedi'i gapsiwleiddio'n llwyddiannus gan SiO2. Dangosodd dadansoddiad thermogravimetrig (TGA) fod gan MEPCM sefydlogrwydd thermol gwell na CA. Gan ddefnyddio calorimetreg sganio gwahaniaethol (DSC), canfuwyd nad oedd gwerth enthalpi MEPCM yn newid hyd yn oed ar ôl 30 cylch gwresogi-oeri. Ymhlith yr holl samplau wedi'u microgapswleiddio, 50 g o SA yn cynnwys MEPCM oedd â'r gwres cudd toddi a solidoli uchaf, sef 182.53 J/g a 160.12 J/g, yn y drefn honno. Cyfrifwyd gwerth effeithlonrwydd y pecyn gan ddefnyddio data thermol a chanfuwyd yr effeithlonrwydd uchaf ar gyfer yr un sampl sef 86.68%.
Defnyddir tua 58% o'r ynni a ddefnyddir yn y diwydiant adeiladu i gynhesu ac oeri adeiladau1. Felly, y peth mwyaf angenrheidiol yw creu systemau ynni effeithlon sy'n ystyried llygredd amgylcheddol2. Gall technoleg gwres cudd gan ddefnyddio deunyddiau newid cyfnod (PCM) storio ynni uchel ar amrywiadau tymheredd isel3,4,5,6 a gellir ei defnyddio'n helaeth mewn meysydd fel trosglwyddo gwres, storio ynni solar, awyrofod ac aerdymheru7,8,9. Mae PCM yn amsugno ynni thermol o du allan adeiladau yn ystod y dydd ac yn rhyddhau ynni yn y nos10. Felly, argymhellir deunyddiau newid cyfnod fel deunyddiau storio ynni thermol. Yn ogystal, mae gwahanol fathau o PCMs fel solid-solid, solid-hylif, hylif-nwy a solid-nwy11. Yn eu plith, y deunyddiau newid cyfnod mwyaf poblogaidd a ddefnyddir amlaf yw deunyddiau newid cyfnod solid-solid a deunyddiau newid cyfnod solid-hylif. Fodd bynnag, mae eu cymhwysiad yn anodd iawn oherwydd y newidiadau cyfaint enfawr mewn deunyddiau trawsnewid cyfnod hylif-nwy a solid-nwy.
Mae gan PCM amrywiol gymwysiadau oherwydd ei briodweddau: gellir defnyddio'r rhai sy'n toddi ar dymheredd islaw 15°C mewn systemau aerdymheru i gynnal tymereddau oer, a gellir defnyddio'r rhai sy'n toddi ar dymheredd uwchlaw 90°C mewn systemau gwresogi i atal tanau12. Yn dibynnu ar y cymhwysiad a'r ystod pwynt toddi, mae amrywiol ddeunyddiau newid cyfnod wedi'u syntheseiddio o wahanol gemegau organig ac anorganig13,14,15. Paraffin yw'r deunydd newid cyfnod a ddefnyddir amlaf gyda gwres cudd uchel, di-cyrydedd, diogelwch ac ystod pwynt toddi eang16,17,18,19,20,21.
Fodd bynnag, oherwydd dargludedd thermol isel deunyddiau newid cyfnod, mae angen eu capsiwleiddio mewn plisgyn (haen allanol) i atal gollyngiad y deunydd sylfaen yn ystod y broses newid cyfnod22. Yn ogystal, gall gwallau gweithredol neu bwysau allanol niweidio'r haen allanol (cladin), a gall y deunydd newid cyfnod tawdd adweithio â deunyddiau adeiladu, gan achosi cyrydiad bariau dur mewnosodedig, a thrwy hynny leihau gwasanaethadwyedd yr adeilad23. Felly, mae'n bwysig syntheseiddio deunyddiau newid cyfnod wedi'u capsiwleiddio â digon o ddeunydd plisgyn, a all ddatrys y problemau uchod24.
Gall micro-gapsiwleiddio deunyddiau newid cyfnod gynyddu trosglwyddiad gwres yn effeithiol a lleihau adweithedd amgylcheddol, a rheoli newidiadau cyfaint. Datblygwyd amrywiol ddulliau ar gyfer capsiwleiddio PCM, sef polymerization rhyngwynebol25,26,27,28, polymerization in situ29,30,31,32, cyd-aserfio33,34,35 a phrosesau sol-gel36,37,38,39. Gellir defnyddio resin fformaldehyd ar gyfer micro-gapsiwleiddio40,41,42,43. Defnyddir resinau melamin-fformaldehyd ac wrea-fformaldehyd fel deunyddiau cragen, sy'n aml yn allyrru fformaldehyd gwenwynig yn ystod gweithrediad. Felly, gwaherddir defnyddio'r deunyddiau hyn mewn prosesau pecynnu. Fodd bynnag, gellir syntheseiddio deunyddiau newid cyfnod sy'n gyfeillgar i'r amgylchedd ar gyfer storio ynni thermol graddadwy gan ddefnyddio nano-gapsiwlau hybrid yn seiliedig ar asidau brasterog a lignin 44.
Syntheseiddiodd Zhang et al. 45 et al. asid lawrig o tetraethyl orthosilicate a daethant i'r casgliad, wrth i gymhareb cyfaint methyltriethoxysilane i tetraethyl orthosilicate gynyddu, fod y gwres cudd yn lleihau a bod hydroffobigrwydd yr wyneb yn cynyddu. Gall asid lawrig fod yn ddeunydd craidd posibl ac effeithiol ar gyfer ffibrau kapok 46. Yn ogystal, syntheseiddiodd Latibari et al. 47 PCMs yn seiliedig ar asid stearig gan ddefnyddio TiO2 fel y deunydd cragen. Paratôdd Zhu et al. nanocapsiwlau n-octadecane a silicon fel PCMs posibl 48. O adolygiad o'r llenyddiaeth, mae'n anodd deall y dos a argymhellir ar gyfer ffurfio deunyddiau newid cyfnod micro-gapswleiddiedig effeithiol a sefydlog.
Felly, hyd y gŵyr yr awduron, mae faint o ddeunydd newid cyfnod a ddefnyddir ar gyfer microgapsiwleiddio yn baramedr pwysig ar gyfer cynhyrchu deunyddiau newid cyfnod microgapsiwleiddio effeithlon a sefydlog. Bydd defnyddio gwahanol symiau o ddeunyddiau newid cyfnod yn caniatáu inni egluro gwahanol briodweddau a sefydlogrwydd deunyddiau newid cyfnod microgapsiwleiddio. Mae asid stearig (asid brasterog) yn sylwedd sy'n gyfeillgar i'r amgylchedd, yn bwysig yn feddygol ac yn economaidd y gellir ei ddefnyddio i storio ynni thermol oherwydd bod ganddo werth enthalpi uchel (~200 J/g) a gall wrthsefyll tymereddau hyd at 72 °C. Yn ogystal, nid yw SiO2 yn fflamadwy, yn darparu cryfder mecanyddol uwch, dargludedd thermol a gwell ymwrthedd cemegol i ddeunyddiau craidd, ac yn gweithredu fel deunydd posolanig mewn adeiladu. Pan gymysgir sment â dŵr, gall PCMs sydd wedi'u gapsiwleiddio'n wael gracio oherwydd traul mecanyddol a thymheredd uchel (gwres hydradiad) a gynhyrchir mewn strwythurau concrit enfawr. Felly, gall defnyddio CA microgapsiwleiddio gyda chragen SiO2 ddatrys y broblem hon. Felly, nod yr astudiaeth hon oedd ymchwilio i berfformiad ac effeithlonrwydd PCMs a syntheseiddiwyd gan y broses sol-gel mewn cymwysiadau adeiladu. Yn y gwaith hwn, fe wnaethom astudio'n systematig wahanol symiau o SA (fel deunydd sylfaen) o 5, 10, 15, 20, 30 a 50 g wedi'u capsiwleiddio mewn plisg SiO2. Defnyddiwyd swm penodol o tetraethylorthosilicate (TEOS) mewn cyfaint o 10 ml fel hydoddiant rhagflaenydd ar gyfer ffurfio'r plisg SiO2.
Prynwyd asid stearig gradd adweithiol (SA, C18H36O2, pwynt toddi: 72°C) fel y deunydd craidd gan Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, De Korea. Prynwyd tetraethylorthosilicate (TEOS, C8H20O4Si) fel hydoddiant rhagflaenydd gan Acros Organics, Geel, Gwlad Belg. Yn ogystal, prynwyd ethanol absoliwt (EA, C2H5OH) a sodiwm lauryl sylffad (SLS, C12H25NaO4S) gan Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, De Korea, a'u defnyddio fel toddyddion a syrffactyddion, yn y drefn honno. Defnyddir dŵr distyll hefyd fel toddydd.
Cymysgwyd gwahanol symiau o SA gyda gwahanol gyfrannau o sodiwm lauryl sylffad (SLS) mewn 100 mL o ddŵr distyll gan ddefnyddio cymysgydd magnetig ar 800 rpm a 75 °C am 1 awr (Tabl 1). Rhannwyd emwlsiynau SA yn ddau grŵp: (1) cymysgwyd 5, 10 a 15 g o SA gyda 0.10 g o SLS mewn 100 ml o ddŵr distyll (SATEOS1, SATEOS2 a SATEOS3), (2) cymysgwyd 20, 30 a 50 g o SA gyda 0.15, 0.20 a 0.25 g o SLS gyda 100 ml o ddŵr distyll (SATEOS4, SATEOS5 a SATEOS6). Defnyddiwyd 0.10 g o SLS gyda 5, 10 a 15 g o SA i ffurfio'r emwlsiynau priodol. Wedi hynny, cynigiwyd cynyddu nifer yr SLS ar gyfer SATEOS4, SATEOS5 a SATEOS6. Mae Tabl 1 yn dangos y cymhareb o CA ac SLS a ddefnyddiwyd i gael toddiannau emwlsiwn sefydlog.
Rhowch 10 ml o TEOS, 10 ml o ethanol (EA) a 20 ml o ddŵr distyll mewn bicer 100 ml. Er mwyn astudio effeithlonrwydd capsiwleiddio gwahanol gymhareb o gregyn SA a SiO2, cofnodwyd cyfernod synthesis yr holl samplau. Cafodd y cymysgedd ei droi gyda chymysgydd magnetig ar 400 rpm a 60°C am 1 awr. Yna ychwanegwyd yr hydoddiant rhagflaenydd fesul diferyn at yr emwlsiwn SA a baratowyd, cafodd ei droi'n egnïol ar 800 rpm a 75°C am 2 awr, a'i hidlo i gael powdr gwyn. Golchwyd y powdr gwyn â dŵr distyll i gael gwared ar SA gweddilliol a'i sychu mewn popty gwactod ar 45°C am 24 awr. O ganlyniad, cafwyd SC wedi'i ficro-gapswleiddio gyda chragen o SiO2. Dangosir y broses gyfan o synthesis a pharatoi SA wedi'i ficro-gapswleiddio yn Ffigur 1.
Paratowyd microcapsiwlau SA gyda chragen SiO2 gan ddefnyddio'r dull sol-gel, a dangosir eu mecanwaith amgáu yn Ffigur 2. Mae'r cam cyntaf yn cynnwys paratoi emwlsiwn SA mewn hydoddiant dyfrllyd gyda SLS fel syrffactydd. Yn yr achos hwn, mae pen hydroffobig y moleciwl SA yn rhwymo i SLS, a'r pen hydroffilig i foleciwlau dŵr, gan ffurfio emwlsiwn sefydlog. Felly, mae rhannau hydroffobig SLS wedi'u hamddiffyn ac yn gorchuddio wyneb y diferyn SA. Ar y llaw arall, mae hydrolysis hydoddiannau TEOS yn digwydd yn araf gan foleciwlau dŵr, gan arwain at ffurfio TEOS wedi'i hydrolysu ym mhresenoldeb ethanol (Ffig. 2a) 49,50,51. Mae TEOS wedi'i hydrolysu yn mynd trwy adwaith cyddwyso, lle mae TEOS wedi'i n-hydrolysu yn ffurfio clystyrau silica (Ffig. 2b). Cafodd y clystyrau silica eu hamgáu gan SA52 ym mhresenoldeb SLS (Ffig. 2c), a elwir yn broses microamgáu.
Diagram sgematig o ficro-gapsiwleiddio CA gyda chragen o SiO2 (a) hydrolysis TEOS (b) cyddwysiad yr hydrolysad a (c) amgáu CA gyda chragen o SiO2.
Cynhaliwyd dadansoddiad cemegol o SA swmp ac SA wedi'i ficro-gapswleiddio gan ddefnyddio sbectromedr is-goch trawsnewid Fourier (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, UDA) a chofnodwyd sbectra yn yr ystod o 500 i 4000 cm-1.
Defnyddiwyd diffractomedr pelydr-X (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japan) i ddadansoddi'r cyfnodau SA swmp a'r deunyddiau microcapswl. Cynhaliwyd sganio strwythurol pelydr-X yn yr ystod 2θ = 5°–95° gyda chyflymder sganio o 4°/mun, gan ddefnyddio ymbelydredd Cu-Kα (λ = 1.541 Å), amodau gweithredu o 25 kV a 100 mA, mewn modd sganio parhaus. Adeiladwyd delweddau pelydr-X yn yr ystod 2θ = 5–50°, gan na welwyd brig ar ôl 50° ym mhob sampl.
Perfformiwyd sbectrosgopeg ffotoelectron pelydr-X (XPS, Scienta Omicron R3000, UDA) gan ddefnyddio Al Kα (1486.6 eV) fel y ffynhonnell pelydr-X i ddeall cyflwr cemegol SA swmp yn ogystal â'r elfennau sy'n bresennol yn y deunydd capsiwleiddio. Calibriwyd y sbectrwm XPS a gasglwyd i'r brig C 1s gan ddefnyddio carbon egsotig (egni rhwymo 284.6 eV). Ar ôl cywiro cefndir gan ddefnyddio dull Shirley, dadgysylltwyd copaon cydraniad uchel pob elfen a'u ffitio i ffwythiannau Gaussaidd/Lorentiaidd gan ddefnyddio meddalwedd CASA XPS.
Archwiliwyd morffoleg SC swmp a SC micro-gapswleiddiedig gan ddefnyddio microsgopeg electron sganio (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Gweriniaeth Tsiec) â sbectrosgopeg pelydr-X gwasgarol ynni (EDS) ar 15 kV. Cyn delweddu SEM, cafodd y samplau eu gorchuddio â platinwm (Pt) i osgoi effeithiau gwefru.
Penderfynwyd ar briodweddau thermol (pwynt toddi/solideiddio a gwres cudd) a dibynadwyedd (cylchoedd thermol) drwy galorimetreg sganio gwahaniaethol (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, UDA) ar gyfradd gwresogi/oeri o 10 °C/mun ar 40 °C a 90 °C gyda phurgio nitrogen parhaus. Cynhaliwyd dadansoddiad colli pwysau gan ddefnyddio dadansoddwr TGA (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, UDA) mewn llif parhaus o nitrogen gan ddechrau ar dymheredd o 40–600 °C, gyda chyfradd gwresogi o 10 °C/mun.
Mae Ffigur 3 yn dangos y sbectrwm FTIR o SC swmp yn ogystal â SC micro-gapswleiddiedig (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 a SATEOS6). Priodolir y copaon amsugno ar 2910 cm-1 a 2850 cm-1 ym mhob sampl (SA yn ogystal â SA micro-gapswleiddiedig) i ddirgryniadau ymestyn cymesur y grwpiau –CH3 a –CH2, yn y drefn honno10,50. Mae'r copa ar 1705 cm-1 yn cyfateb i ymestyn dirgryniadol y bond C=O. Priodolir y copaon ar 1470 cm-1 a 1295 cm-1 i ddirgryniad plygu mewn-plân y grŵp swyddogaethol –OH, tra bod y copaon ar 940 cm-1 a 719 cm-1 yn cyfateb i'r dirgryniad mewn-plân a dirgryniad anffurfiad plân-cynnyrch, yn y drefn honno – grŵp OH. Gwelwyd copaon amsugno SA ar 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 a 719 cm-1 hefyd ym mhob SA wedi'i ficro-gapswleiddio. Yn ogystal, gwelwyd copa newydd ei ddarganfod ar 1103 cm-1 sy'n cyfateb i ddirgryniad ymestyn gwrthgymesur y band Si-O-Si yn y microgapswl SA. Mae canlyniadau FT-IR yn gyson â Yuan et al. 50 Llwyddodd iddynt baratoi SA wedi'i ficro-gapswleiddio mewn cymhareb amonia/ethanol a chanfod nad oedd unrhyw ryngweithio cemegol wedi digwydd rhwng SA a SiO2. Mae canlyniadau'r astudiaeth FT-IR gyfredol yn dangos bod y gragen SiO2 wedi capsiwleiddio SA (craidd) yn llwyddiannus trwy'r broses gyddwyso a pholymerization TEOS wedi'i hydrolysu. Ar gynnwys SA is, mae dwyster brig y band Si-O-Si yn uwch (Ffig. 3b-d). Wrth i faint yr SA gynyddu i fwy na 15 g, mae dwyster y brig ac ehangu'r band Si-O-Si yn lleihau'n raddol, gan ddangos ffurfiant haen denau o SiO2 ar wyneb SA.
Sbectrwm FTIR o (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 a (g) SATEOS6.
Dangosir patrymau XRD SA swmp ac SA micro-gapsiwleiddiedig yn Ffigur 4. Mae copaon XRD wedi'u lleoli ar 2θ = 6.50° (300), 10.94° (500), 15.46° (700), 20.26° \((\overline {5} yn ôl JCPDS Rhif 0381923, 02)\), 21.42° ym mhob sampl (311), 24.04° (602) a 39.98° (913) wedi'u neilltuo i SA. Ystumio a chroesrywiaeth gyda CA swmp oherwydd ffactorau ansicr fel syrffactydd (SLS), sylweddau gweddilliol eraill a micro-gapsiwleiddio SiO250. Ar ôl i'r capsiwleiddio ddigwydd, mae dwyster y prif gopaon (300), (500), (311), a (602) yn lleihau'n raddol o'i gymharu â CA swmp, gan ddangos gostyngiad yng nghrisialedd y sampl.
Patrymau XRD o (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 a (g) SATEOS6.
Mae dwyster SATEOS1 yn gostwng yn sydyn o'i gymharu â samplau eraill. Ni welwyd unrhyw bigau eraill yn yr holl samplau micro-gapsiwleiddio (Ffig. 4b–g), sy'n cadarnhau bod amsugno ffisegol SiO252 yn hytrach na rhyngweithio cemegol yn digwydd ar wyneb yr SA. Yn ogystal, daethpwyd i'r casgliad hefyd nad oedd micro-gapsiwleiddio SA yn arwain at ymddangosiad unrhyw strwythurau newydd. Mae SiO2 yn aros yn gyfan ar wyneb yr SA heb unrhyw adwaith cemegol, ac wrth i faint yr SA leihau, mae'r bigau presennol yn dod yn fwy amlwg (SATEOS1). Mae'r canlyniad hwn yn dangos bod SiO2 yn bennaf yn amgáu wyneb yr SA. Mae'r brig yn (700) yn diflannu'n llwyr, ac mae'r brig yn \((\overline{5}02)\) yn dod yn lwmp yn SATEOS 1 (Ffig. 4b), sy'n gysylltiedig â chrisialedd llai ac amorffedd cynyddol. Mae SiO2 yn amorffaidd ei natur, felly mae gan y copaon a welir o 2θ = 19° i 25° grwmp a lledu53 (Ffig. 4b–g), sy'n cadarnhau bodolaeth SiO252 amorffaidd. Mae dwyster brig diffractiad is SA wedi'i ficro-gapswleiddio oherwydd effaith niwcleiad wal fewnol y silica a'r ymddygiad crisialu cyfyngol49. Credir, gyda chynnwys SA is, fod cragen silica fwy trwchus yn cael ei ffurfio oherwydd presenoldeb llawer iawn o TEOS, sy'n cael ei amsugno'n helaeth ar wyneb allanol yr SA. Fodd bynnag, wrth i faint yr SA gynyddu, mae arwynebedd diferion SA yn y toddiant emwlsiwn yn cynyddu ac mae angen mwy o TEOS ar gyfer capsiwleiddio priodol. Felly, gyda chynnwys SA uwch, mae brig SiO2 yn FT-IR yn cael ei atal (Ffig. 3), ac mae dwyster y brig diffractiad ger 2θ = 19–25° yn XRF (Ffig. 4) yn lleihau ac mae'r ehangu hefyd yn lleihau. Ddim yn weladwy. Fodd bynnag, fel y gwelir yn Ffigur 4, cyn gynted ag y cynyddir faint o SA o 5 g (SATEOS1) i 50 g (SATEOS6), mae'r copaon yn dod yn agos iawn at SA swmp, ac mae'r copa ar (700) yn ymddangos gyda'r holl ddwysterau copa wedi'u nodi. Mae'r canlyniad hwn yn cydberthyn â'r canlyniadau FT-IR, lle mae dwyster copa SiO2 SATEOS6 yn lleihau ar 1103 cm-1 (Ffig. 3g).
Dangosir cyflyrau cemegol yr elfennau sy'n bresennol yn SA, SATEOS1 a SATEOS6 yn Ffigurau 1 a 2. Ffigurau 5, 6, 7 ac 8 a Thabl 2. Dangosir sganiau mesur ar gyfer SA swmp, SATEOS1 a SATEOS6 yn Ffigur 5 a dangosir sganiau cydraniad uchel ar gyfer C 1s, O 1s a Si 2p yn Ffigurau 5, 6, 7 ac 8 a Thabl 2, 6, 7 ac 8 yn y drefn honno. Crynhoir y gwerthoedd egni rhwymo a gafwyd gan XPS yn Nhabl 2. Fel y gwelir o Ffigur 5, gwelwyd copaon amlwg Si 2s a Si 2p yn SATEOS1 a SATEOS6, lle digwyddodd micro-gapsiwleiddio'r gragen SiO2. Mae ymchwilwyr blaenorol wedi adrodd am gopa Si 2s tebyg ar 155.1 eV54. Mae presenoldeb copaon Si yn SATEOS1 (Ffig. 5b) a SATEOS6 (Ffig. 5c) yn cadarnhau'r data FT-IR (Ffig. 3) ac XRD (Ffig. 4).
Fel y dangosir yn Ffigur 6a, mae gan C1s SA swmp dri chopa gwahanol o CC, caliphatig, ac O=C=O ar yr egni rhwymo, sef 284.5 eV, 285.2 eV, a 289.5 eV, yn y drefn honno. Gwelwyd copaon C–C, caliphatig ac O=C=O hefyd yn SATEOS1 (Ffig. 6b) a SATEOS6 (Ffig. 6c) ac maent wedi'u crynhoi yn Nhabl 2. Yn ogystal â hyn, mae'r copa C1s hefyd yn cyfateb i gopa Si-C ychwanegol ar 283.1 eV (SATEOS1) a 283.5 eV (SATEOS6). Mae ein hegni rhwymo a welwyd ar gyfer C–C, caliphatig, O=C=O a Si–C yn cydberthyn yn dda â ffynonellau eraill55,56.
Dangosir sbectrwm XPS O 1 SA, SATEOS1 a SATEOS6 yn Ffigurau 7a–c, yn y drefn honno. Mae brig O 1s SA swmp wedi'i ddadgysylltiedig ac mae ganddo ddau gopa, sef C=O/C–O (531.9 eV) a C–O–H (533.0 eV), tra bod O 1 SATEOS1 a SATEOS6 yn gyson. dim ond tri chopa sydd: C=O/C–O, C–O–H a Si–OH55,57,58. Mae egni rhwymo O 1s yn SATEOS1 a SATEOS6 yn newid ychydig o'i gymharu â SA swmp, sy'n gysylltiedig â newid yn y darn cemegol oherwydd presenoldeb SiO2 a Si-OH yn y deunydd plisgyn.
Dangosir sbectrwm Si 2p XPS SATEOS1 a SATEOS6 yn Ffigur 8a a b, yn y drefn honno. Mewn CA swmp, ni welwyd Si 2p oherwydd absenoldeb SiO2. Mae brig Si 2p yn cyfateb i 105.4 eV ar gyfer SATEOS1 a 105.0 eV ar gyfer SATEOS6, sy'n cyfateb i Si-O-Si, tra bod brig SATEOS1 yn 103.5 eV a brig SATEOS6 yn 103.3 eV, sy'n cyfateb i Si-OH55. Datgelodd ffitio brig Si-O-Si a Si-OH yn SATEOS1 a SATEOS6 ficro-gapsiwleiddio llwyddiannus o SiO2 ar wyneb craidd SA.
Mae morffoleg y deunydd micro-gapswleiddio yn bwysig iawn, gan effeithio ar hydoddedd, sefydlogrwydd, adweithedd cemegol, llifadwyedd a chryfder59. Felly, defnyddiwyd SEM i nodweddu morffoleg SA swmp (100×) ac SA micro-gapswleiddio (500×), fel y dangosir yn Ffigur 9. Fel y gwelir o Ffigur 9a, mae gan y bloc SA siâp eliptig. Mae maint y gronynnau yn fwy na 500 micron. Fodd bynnag, unwaith y bydd y broses micro-gapswleiddio yn parhau, mae'r morffoleg yn newid yn sylweddol, fel y dangosir yn Ffigurau 9 b–g.
Delweddau SEM o (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 a (g) SATEOS6 ar ×500.
Yn y sampl SATEOS1, gwelir gronynnau SA cwas-sfferig llai wedi'u lapio â SiO2 gydag arwyneb garw (Ffig. 9b), a all fod oherwydd hydrolysis a pholymerization cyddwysiad TEOS ar wyneb yr SA, gan gyflymu trylediad cyflym moleciwlau ethanol. O ganlyniad, mae gronynnau SiO2 yn cael eu dyddodi a gwelir crynhoad52,60. Mae'r gragen SiO2 hon yn darparu cryfder mecanyddol i'r gronynnau CA wedi'u microgapswleiddio ac mae hefyd yn atal gollyngiad CA tawdd ar dymheredd uwch10. Mae'r canlyniad hwn yn dangos y gellir defnyddio microgapswlau SA sy'n cynnwys SiO2 fel deunyddiau storio ynni posibl61. Fel y gwelir o Ffigur 9b, mae gan y sampl SATEOS1 ddosbarthiad gronynnau unffurf gyda haen drwchus SiO2 yn amgáu'r SA. Mae maint gronynnau'r SA wedi'i ficrogapswleiddio (SATEOS1) tua 10–20 μm (Ffig. 9b), sy'n sylweddol llai o'i gymharu â SA swmp oherwydd y cynnwys SA is. Mae trwch yr haen microcapswl oherwydd hydrolysis a pholymerization cyddwysiad y toddiant rhagflaenydd. Mae crynhoad yn digwydd ar ddosau is o SA, h.y. hyd at 15 g (Ffig. 9b-d), ond cyn gynted ag y cynyddir y dos, ni welir unrhyw grynhoad, ond gwelir gronynnau sfferig wedi'u diffinio'n glir (Ffig. 9e-g) 62.
Yn ogystal, pan fydd faint y syrffactydd SLS yn gyson, mae cynnwys SA (SATEOS1, SATEOS2 a SATEOS3) hefyd yn effeithio ar effeithlonrwydd, siâp a dosbarthiad maint gronynnau. Felly, canfuwyd bod SATEOS1 yn arddangos maint gronynnau llai, dosbarthiad unffurf ac arwyneb dwys (Ffig. 9b), a briodolwyd i natur hydroffilig SA sy'n hyrwyddo niwcleiad eilaidd o dan syrffactydd cyson63. Credir, trwy gynyddu cynnwys SA o 5 i 15 g (SATEOS1, SATEOS2 a SATEOS3) a defnyddio swm cyson o syrffactydd, h.y. 0.10 g SLS (Tabl 1), y bydd cyfraniad pob gronyn o'r moleciwl syrffactydd yn lleihau, a thrwy hynny'n lleihau maint y gronynnau a maint y gronynnau. Mae dosbarthiad SATEOS2 (Ffig. 9c) a SATEOS3 (Ffig. 9d) yn wahanol i ddosbarthiad SATEOS 1 (Ffig. 9b).
O'i gymharu â SATEOS1 (Ffig. 9b), dangosodd SATEOS2 forffoleg dwys o SA wedi'i ficro-gapsiwleiddio a chynyddodd maint y gronynnau (Ffig. 9c). Mae hyn oherwydd crynhoad 49, sy'n lleihau'r gyfradd ceulo (Ffig. 2b). Wrth i faint yr SC gynyddu gyda chynnydd mewn SLS, mae'r microgapsiwlau'n dod yn weladwy'n glir, fel y dangosir yn Ffig. sut mae crynhoad yn digwydd. Yn ogystal, mae Ffigurau 9e–g yn dangos bod yr holl ronynnau'n amlwg yn sfferig o ran siâp a maint. Cydnabyddir, ym mhresenoldeb symiau mawr o SA, y gellir cael swm priodol o oligomerau silica, gan achosi cyddwysiad a chapsiwleiddio priodol ac felly ffurfio microgapsiwlau wedi'u diffinio'n dda49. O ganlyniadau'r SEM, mae'n amlwg bod SATEOS6 wedi ffurfio microgapsiwlau cyfatebol o'i gymharu â swm bach o SA.
Cyflwynir canlyniadau sbectrosgopeg pelydr-X gwasgarol ynni (EDS) o SA swmp a SA microgapsiwl yn Nhabl 3. Fel y gwelir o'r tabl hwn, mae'r cynnwys Si yn gostwng yn raddol o SATEOS1 (12.34%) i SATEOS6 (2.68%). Cynnydd yn SA. Felly, gallwn ddweud bod cynnydd yn faint o SA yn arwain at ostyngiad yn nyddodiad SiO2 ar wyneb SA. Nid oes unrhyw werthoedd cyson ar gyfer cynnwys C ac O yn Nhabl 3 oherwydd y dadansoddiad lled-feintiol o EDS51. Roedd cynnwys Si SA wedi'i ficrogapsiwleiddio yn gysylltiedig â chanlyniadau FT-IR, XRD ac XPS.
Dangosir ymddygiad toddi a chaledu SA swmp yn ogystal ag SA wedi'i ficro-gapsulio gyda chragen SiO2 yn Ffigurau 1 a 2. Fe'u dangosir yn Ffigurau 10 ac 11 yn y drefn honno, a dangosir y data thermol yn Nhabl 4. Canfuwyd bod tymereddau toddi a chaledu SA wedi'i ficro-gapsulio yn wahanol. Wrth i faint yr SA gynyddu, mae'r tymereddau toddi a chaledu yn cynyddu ac yn agosáu at werthoedd SA swmp. Ar ôl micro-gapsulio SA, mae wal y silica yn cynyddu'r tymheredd crisialu, ac mae ei wal yn gweithredu fel craidd i hyrwyddo amrywioldeb. Felly, wrth i faint yr SA gynyddu, mae'r tymereddau toddi (Ffig. 10) a chaledu (Ffig. 11) hefyd yn cynyddu'n raddol49,51,64. Ymhlith yr holl samplau SA wedi'u micro-gapsulio, SATEOS6 a ddangosodd y tymereddau toddi a chaledu uchaf, ac yna SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2, a SATEOS1.
Mae SATEOS1 yn dangos y pwynt toddi isaf (68.97 °C) a'r tymheredd solidoli (60.60 °C), sydd oherwydd y maint gronynnau llai lle mae symudiad gronynnau SA y tu mewn i'r microcapsiwlau yn fach iawn ac mae'r gragen SiO2 yn ffurfio haen drwchus ac felly mae Deunydd Craidd yn cyfyngu ar ymestyn a symudiad49. Mae'r ddamcaniaeth hon yn gysylltiedig â chanlyniadau'r SEM, lle dangosodd SATEOS1 faint gronynnau llai (Ffig. 9b), sydd oherwydd y ffaith bod moleciwlau SA wedi'u cyfyngu o fewn ardal fach iawn o'r microcapsiwlau. Mae'r gwahaniaeth yn nhymheredd toddi a solidoli'r prif fàs, yn ogystal â phob microcapsiwl SA gyda chregyn SiO2, yn yr ystod o 6.10–8.37 °C. Mae'r canlyniad hwn yn dangos y gellir defnyddio SA wedi'i ficro-gapsiwleiddio fel deunydd storio ynni posibl oherwydd dargludedd thermol da'r gragen SiO2 65.
Fel y gwelir o Dabl 4, SATEOS6 sydd â'r enthalpi uchaf ymhlith yr holl SCs micro-gapswleiddiedig (Ffig. 9g) oherwydd y capsiwleiddio priodol a welwyd gan SEM. Gellir cyfrifo'r gyfradd pacio SA gan ddefnyddio hafaliad (1). (1) Trwy gymharu data gwres cudd SA49 micro-gapswleiddiedig.
Mae'r gwerth R yn cynrychioli gradd amgáu (%) SC wedi'i ficro-amgáu, mae ΔHMEPCM,m yn cynrychioli gwres cudd asio SC wedi'i ficro-amgáu, ac mae ΔHPCM,m yn cynrychioli gwres cudd asio SC. Yn ogystal, cyfrifir effeithlonrwydd pecynnu (%) fel paramedr technegol pwysig arall, fel y dangosir yn Hafaliad (1). (2)49.
Mae'r gwerth E yn cynrychioli effeithlonrwydd mewngapsiwleiddio (%) CA wedi'i ficro-gapsiwleiddio, mae ΔHMEPCM,s yn cynrychioli gwres cudd halltu CA wedi'i ficro-gapsiwleiddio, ac mae ΔHPCM,s yn cynrychioli gwres cudd halltu CA.
Fel y dangosir yn Nhabl 4, mae gradd pacio ac effeithlonrwydd SATEOS1 yn 71.89% a 67.68%, yn y drefn honno, a gradd pacio ac effeithlonrwydd SATEOS6 yw 90.86% ac 86.68%, yn y drefn honno (Tabl 4). Mae sampl SATEOS6 yn arddangos y cyfernod a'r effeithlonrwydd amgapsiwleiddio uchaf ymhlith yr holl SAs micro-amgapsiwleiddio, sy'n dangos ei gapasiti thermol uchel. Felly, mae'r newid o solid i hylif yn gofyn am symiau mawr o ynni. Yn ogystal, mae'r gwahaniaeth yn nhymheredd toddi a chasglu pob microcapswl SA ac SA swmp yn ystod y broses oeri yn dangos bod y gragen silica wedi'i chyfyngu'n ofodol yn ystod synthesis microcapswl. Felly, mae'r canlyniadau'n dangos, wrth i faint o SC gynyddu, fod y gyfradd amgapsiwleiddio ac effeithlonrwydd yn cynyddu'n raddol (Tabl 4).
Dangosir cromliniau TGA SA swmp a SA microgapsiwl gyda chragen SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6) yn Ffigur 12. Cymharwyd priodweddau sefydlogrwydd thermol SA swmp (SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6) â samplau wedi'u microgapsiwleiddio. Mae'n amlwg o'r gromlin TGA fod colli pwysau SA swmp yn ogystal ag SA wedi'i ficrogapsiwleiddio yn dangos gostyngiad llyfn a bach iawn o 40°C i 190°C. Ar y tymheredd hwn, nid yw SC swmp yn cael ei ddadelfennu'n thermol, tra bod SC microgapsiwleiddio yn rhyddhau dŵr wedi'i amsugno hyd yn oed ar ôl sychu ar 45°C am 24 awr. Arweiniodd hyn at golled pwysau fach,49 ond y tu hwnt i'r tymheredd hwn dechreuodd y deunydd ddirywio. Ar gynnwys SA is (h.y. SATEOS1), mae'r cynnwys dŵr wedi'i amsugno yn uwch ac felly mae'r golled màs hyd at 190°C yn uwch (mewnosodiad yn Ffig. 12). Cyn gynted ag y bydd y tymheredd yn codi uwchlaw 190 °C, mae'r sampl yn dechrau colli màs oherwydd prosesau dadelfennu. Mae SA swmp yn dechrau dadelfennu ar 190 °C a dim ond 4% sy'n weddill ar 260 °C, tra bod SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6 yn cadw 50%, 20% a 12% ar y tymheredd hwn, yn y drefn honno. Ar ôl 300 °C, roedd colli màs SA swmp tua 97.60%, tra bod colli màs SATEOS1, SATEOS3, a SATEOS6 tua 54.20%, 82.40%, a 90.30%, yn y drefn honno. Gyda chynnydd yng nghynnwys SA, mae cynnwys SiO2 yn lleihau (Tabl 3), a gwelir teneuo'r gragen yn yr SEM (Ffig. 9). Felly, mae colli pwysau SA wedi'i ficro-gapswleiddio yn is o'i gymharu â SA swmp, a eglurir gan briodweddau ffafriol y gragen SiO2, sy'n hyrwyddo ffurfio haen silicad carbonaidd-carbonaidd ar wyneb SA, a thrwy hynny'n ynysu craidd yr SA ac yn arafu rhyddhau'r cynhyrchion anweddol sy'n deillio o hynny10. Mae'r haen siarcol hon yn ffurfio rhwystr amddiffynnol ffisegol yn ystod dadelfennu thermol, gan gyfyngu ar drawsnewid moleciwlau fflamadwy i'r cyfnod nwy66,67. Yn ogystal â hyn, gallwn hefyd weld canlyniadau colli pwysau sylweddol: mae SATEOS1 yn dangos gwerthoedd is o'i gymharu â SATEOS3, SATEOS6 ac SA. Mae hyn oherwydd bod faint o SA yn SATEOS1 yn llai nag yn SATEOS3 a SATEOS6, lle mae'r gragen SiO2 yn ffurfio haen drwchus. Mewn cyferbyniad, mae cyfanswm y golled pwysau o SA swmp yn cyrraedd 99.50% ar 415 °C. Fodd bynnag, dangosodd SATEOS1, SATEOS3, a SATEOS6 golled pwysau o 62.50%, 85.50%, a 93.76%, yn y drefn honno, ar 415 °C. Mae'r canlyniad hwn yn dangos bod ychwanegu TEOS yn gwella diraddiad SA trwy ffurfio haen SiO2 ar wyneb SA. Gall yr haenau hyn ffurfio rhwystr amddiffynnol ffisegol, ac felly gellir gweld gwelliant yn sefydlogrwydd thermol CA wedi'i ficro-gapswleiddio.
Dangosir canlyniadau dibynadwyedd thermol SA swmp a'r sampl micro-gapsiwleiddiedig orau (h.y. SATEOS 6) ar ôl 30 cylch gwresogi ac oeri DSC51,52 yn Ffigur 13. Gellir gweld nad yw SA swmp (Ffigur 13a) yn dangos unrhyw wahaniaeth mewn tymheredd toddi, solidiad a gwerth enthalpi, tra nad yw SATEOS6 (Ffig. 13b) yn dangos unrhyw wahaniaeth mewn tymheredd a gwerth enthalpi hyd yn oed ar ôl y 30fed cylch gwresogi a'r broses oeri. Dangosodd SA swmp bwynt toddi o 72.10 °C, tymheredd solidiad o 64.69 °C, a gwres uno a solidiad ar ôl y cylch cyntaf oedd 201.0 J/g a 194.10 J/g, yn y drefn honno. Ar ôl y 30fed cylch, gostyngodd pwynt toddi'r gwerthoedd hyn i 71.24 °C, gostyngodd y tymheredd solidiad i 63.53 °C, a gostyngodd y gwerth enthalpi 10%. Mae newidiadau mewn tymereddau toddi a chaledu, yn ogystal â gostyngiadau mewn gwerthoedd enthalpi, yn dangos nad yw CA swmp yn ddibynadwy ar gyfer cymwysiadau nad ydynt yn ficro-gapsiwleiddio. Fodd bynnag, ar ôl i ficro-gapsiwleiddio priodol ddigwydd (SATEOS6), nid yw'r tymereddau toddi a chaledu a'r gwerthoedd enthalpi yn newid (Ffig. 13b). Ar ôl ei ficro-gapsiwleiddio â chregyn SiO2, gellir defnyddio SA fel deunydd newid cyfnod mewn cymwysiadau thermol, yn enwedig mewn adeiladu, oherwydd ei dymereddau toddi a chaledu gorau posibl ac enthalpi sefydlog.
Cromliniau DSC a gafwyd ar gyfer samplau SA (a) a SATEOS6 (b) yn y cylchoedd gwresogi ac oeri cyntaf a 30ain.
Yn yr astudiaeth hon, cynhaliwyd ymchwiliad systematig i ficrogapsiwleiddio gan ddefnyddio SA fel y deunydd craidd a SiO2 fel y deunydd plisgyn. Defnyddir TEOS fel rhagflaenydd i ffurfio haen gynnal SiO2 a haen amddiffynnol ar wyneb SA. Ar ôl synthesis llwyddiannus o SA wedi'i ficrogapsiwleiddio, dangosodd canlyniadau FT-IR, XRD, XPS, SEM ac EDS bresenoldeb SiO2. Mae dadansoddiad SEM yn dangos bod y sampl SATEOS6 yn arddangos gronynnau sfferig wedi'u diffinio'n dda wedi'u hamgylchynu gan gregyn SiO2 ar wyneb SA. Fodd bynnag, mae MEPCM gyda chynnwys SA is yn arddangos crynhoad, sy'n lleihau perfformiad PCM. Dangosodd dadansoddiad XPS bresenoldeb Si-O-Si a Si-OH yn y samplau microgapsiwl, a ddatgelodd amsugno SiO2 ar wyneb SA. Yn ôl y dadansoddiad perfformiad thermol, mae SATEOS6 yn dangos y gallu storio gwres mwyaf addawol, gyda thymheredd toddi a chaledu o 70.37°C a 64.27°C, yn y drefn honno, a gwres cudd toddi a chaledu o 182.53 J/g a 160.12 J/g. G. yn y drefn honno. Effeithlonrwydd pecynnu mwyaf SATEOS6 yw 86.68%. Cadarnhaodd dadansoddiad cylchred thermol TGA a DSC fod gan SATEOS6 sefydlogrwydd a dibynadwyedd thermol da o hyd hyd yn oed ar ôl 30 proses gwresogi ac oeri.
Yang T., Wang XY a Li D. Dadansoddiad Perfformiad System Amsugno Cyfansawdd Nwy Solet Thermogemegol ar gyfer Storio Ynni Thermol a Gwella ei Effeithlonrwydd. cymhwysiad. hot. peiriannydd. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. ac Al-Hallaj, S. Adolygiad o storio ynni newid cyfnod: deunyddiau a chymwysiadau. Trawsnewidydd ynni. Rheolwr. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS a Saini JS Perfformiad trosglwyddo gwres systemau storio ynni thermol gan ddefnyddio capsiwlau PCM: adolygiad. diweddariad. cefnogaeth. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. a Bruno, F. Adolygiad o Ddeunyddiau Storio a Thechnolegau Gwella Perfformiad Thermol ar gyfer Systemau Storio Thermol Newid Cyfnod Tymheredd Uchel. diweddariad. cefnogaeth. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Paratoi a nodweddu deunyddiau newid cyfnod n-tetradecane ynni thermol nano-gapswleiddiedig. Chemical. engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. a Li, M. Synthesis o ddeunyddiau cyfansawdd newid cyfnod newydd sy'n sefydlog o ran siâp gan ddefnyddio aerogeliau graffen wedi'u haddasu ar gyfer trosi a storio ynni'r haul. Deunyddiau ynni Sol. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., a Fang, G. Nodweddu morffolegol a chymhwyso deunyddiau newid cyfnod mewn storio ynni thermol: adolygiad. diweddariad. cefnogaeth. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).