金属有机骨架UiO-66-NH2制备及对月桂酸和十水硫酸钠传热储热性能影响

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在“碳达峰”、“碳中和”的双碳背景下,建筑大幅节能、降碳已成为现代建筑发展的必然趋势。作为零碳能源的太阳能、风能等可再生能源,是实现建筑大幅节能降碳的主要能源。然而,这些可再生能源具有间歇性和高波动性,使得可再生能源的高效利用离不开储能。相变储热储能密度高、相变温度恒定、性能稳定,被认为是建筑利用可再生能源实现节能、降碳的关键技术。为提高相变储热材料的传热储热性能,本文通过制备金属有机骨架材料(MOFs),向相变储热材料中添加MOFs,研究相变储热材料的传热储热性能,探索金属有机骨架材料UiO-66-NH2对月桂酸(LA)和十水硫酸钠(Na2SO4·10H2O)传热储热性能的影响。本文首先通过溶剂热法制备金属有机骨架材料UiO-66-NH2,采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)方法研究其化学组成与微观形貌。通过比表面积及孔径测试和热重分析研究UiO-66-NH2的比表面积、孔径和热稳定性。在此基础上,以有机相变储热材料LA和无机相变储热材料结晶水合盐Na2SO4·10H2O两种低温相变储热材料为基体,通过添加UiO-66-NH2得到一系列复合相变储热材料,探究了金属有机骨架材料UiO-66-NH2对相变储热材料传热储热性能的影响。采用FT-IR、XRD、SEM方法研究其化学组成与微观形貌,采用差示扫描量热法(DSC)和激光闪射法研究UiO-66-NH2对相变储热材料熔点、潜热、比热以及导热系数的影响,通过计算平均传热速率和热重分析研究UiO-66-NH2对相变储热材料相变过程的传热和热稳定性影响。主要研究内容如下:(1)采用溶剂热法制备金属有机骨架材料UiO-66-NH2。通过FT-IR、XRD和SEM测试表征,可知UiO-66-NH2的化学组成和微观形貌同文献中标准样品一致,证明UiO-66-NH2的合成是成功的。通过分析比表面积及孔径分析仪测试得到的N2吸附脱附等温线,可知UiO-66-NH2的吸附类型为微孔吸附,并通过理论模型计算得到所制备UiO-66-NH2的比表面积高达1049 m~2/g,平均孔径为0.7624nm,说明所制备UiO-66-NH2具有高比表面积和发达的微孔结构。通过热失重测试分析得到当UiO-66-NH2的温度超过600℃时,其骨架才会坍塌,其热稳定性优异。(2)采用熔融共混法向相变储热材料LA中添加UiO-66-NH2,制备LA@UiO-66-NH2复合相变储热材料。FT-IR、XRD和SEM测试结果表明,UiO-66-NH2的添加不会改变LA的化学结构和组成成分。DSC测试结果表明,UiO-66-NH2的添加对LA基材的熔点和相变潜热影响不大,但会提高LA的固态比热和液态比热。UiO-66-NH2的添加比例为1.0 wt.%时的固态比热和0.2 wt.%时的液态比热最高,分别比LA高出20.3%和21.5%。导热系数测试和平均传热速率计算结果表明,UiO-66-NH2的添加会提高LA的导热系数和平均传热速率。研究发现,添加0.6 wt.%和1.0 wt.%的UiO-66-NH2后,LA的固态导热系数分别增加10.50%和6.30%;添加不同比例的UiO-66-NH2后,LA@UiO-复合相变储热材料的平均传热速率最高,比纯LA提高了39.42%。UiO-66-NH2的添加对LA的吸热过程起促进作用。(3)采用熔融共混法向相变储热材料Na2SO4·10H2O中添加UiO-66-NH2,制备Na2SO4·10H2O@UiO-66-NH2复合相变储热材料。通过FT-IR和XRD方法表征,发现UiO-66-NH2的添加不会改变Na2SO4·10H2O的化学结构和组成成分,但发现添加低质量分数的UiO-66-NH2后,复合相变储热材料的熔点均比纯Na2SO4·10H2O高,添加比例为0.2 wt.%的样品熔点最高,比Na2SO4·10H2O高出17.03%。添加不同比例的UiO-66-NH2对Na2SO4·10H2O的相变潜热影响不同。添加比例为0.4 wt.%、0.6 wt.%、0.8 wt.%的复合相变储热材料,其潜热比纯Na2SO4·10H2O提高5.9%、3.4%、4.7%,而添加比例为0.2wt.%和1.0wt.%的复合相变储热材料时,其潜热比Na2SO4·10H2O降低4.2%和1.6%。添加不同比例的UiO-66-NH2对Na2SO4·10H2O的比热影响也不同。添加比例为0.4 wt.%时,其复合相变储热材料的固态和液态比热最高,分别比Na2SO4·10H2O提高120.0%和132.9%。UiO-66-NH2的添加提高了Na2SO4·10H2O的分解温度,减少了Na2SO4·10H2O的质量损失。添加比例为0.8 wt.%时复合相变储热材料的分解温度最大,为113.2°C,相比纯Na2SO4·10H2O增加了5.6°C。添加比例为1.0 wt.%时质量损失最小,为49.68%,相比纯Na2SO4·10H2O减少了7.5%。UiO-66-NH2的添加可以降低复合相变储热材料的固-液相变平均传热速率,添加比例为1.0 wt.%时,Na2SO4·10H2O@UiO-66-NH2复合相变储热材料的平均传热速率最低,比Na2SO4·10H2O减少了23.59%。UiO-66-NH2的添加对Na2SO4·10H2O的吸热过程起阻碍作用。
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