一組材料科學家開發出一種基於生物的碳材料，旨在解決熱能儲存過程中最棘手的問題之一：熔化過程中的泄漏。這種新材料能夠高效儲存熱量，並在熱量儲存化合物從固態轉變為液態的過程中保持其形狀完整。研究集中於相變材料，這些材料在熔化和固化過程中吸收和釋放熱量，廣泛應用於建築溫度控制、太陽能儲存和電子熱管理等領域。然而，許多有機相變材料在熔化時會發生泄漏，限制了它們的耐用性和實際應用。
為了解決這一問題，研究人員轉向了幾丁質，這是一種在甲殼類動物殼和真菌中發現的天然聚合物。幾丁質資源豐富，可再生，且常被視為廢物，因此成為可持續材料工程中的一個有吸引力的候選者。在這項新研究中，科學家將幾丁質轉化為超輕的氣凝膠，然後進行碳化，形成一種多孔碳框架。這種結構旨在作為硬脂酸的載體，硬脂酸是一種常見的有機相變材料，以其高熱儲存能力而聞名，但也存在持續泄漏的問題。
幾丁質衍生的碳氣凝膠具有高度互連的孔隙網絡，並擁有較大的孔隙體積。這些孔隙物理上捕獲熔融的硬脂酸，而毛細作用和氫鍵則防止其在熔化過程中流出。對應作者李輝表示：「我們的目標是設計一種低成本且環保的支撐材料，能夠在不泄漏的情況下容納大量相變材料。」幾丁質資源豐富、可再生，且天然富含氮。最終的複合材料能夠以重量計含有高達60%的硬脂酸，且不顯示明顯的泄漏。即使當硬脂酸熔化時，整體結構仍保持穩固，解決了許多有機相變系統所面臨的重大挑戰。
熱測試顯示，該複合材料的熔化焓值約為每克118焦耳，這一數值高於許多先前報告的生物質衍生相變材料。碳框架還提高了熱導率，使熱量更高效地進出材料。耐用性也是本研究的另一個重點。經過100次加熱和冷卻循環，該複合材料保留了超過97%的原始熱儲存能力，且相變溫度幾乎沒有變化。李輝指出，長期可靠性對於實際的能源儲存系統至關重要。「我們的結果顯示，這種基於幾丁質的碳氣凝膠可以反復儲存和釋放熱量。」
研究人員還發現，碳孔內的納米尺度限制增加了硬脂酸進行相變所需的活化能。這表明熱穩定性得到改善，這是由氮摻雜碳表面與有機分子之間的相互作用驅動的。由於幾丁質可以從海鮮廢物和真菌生物質中獲取，這一方法提供了一條將生物副產品轉化為高價值能源材料的途徑。研究團隊相信，這一策略可以適應其他相變材料和溫度範圍，為更環保的熱能儲存系統開辟了新的可能性，並在《可持續碳材料》期刊上報導。
