海绵状氧化石墨烯/聚乙二醇复合相变材料的制备及性能

doi:10.7503/cjcu20250035

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 20250035.doi: 10.7503/cjcu20250035

海绵状氧化石墨烯/聚乙二醇复合相变材料的制备及性能

蔡磊¹, 李立哲¹(), 李昊²(), 蔡畅³, 李铁虎²

^1.西北工业大学自动化学院
^2.材料学院，西安 710072
^3.石家庄铁道大学信息科学与技术学院，石家庄 050043

收稿日期:2025-02-09 出版日期:2025-10-10 发布日期:2025-06-06
通讯作者: 李昊 E-mail:lilizhe@nwpu.edu.cn;lihao@nwpu.edu.cn
作者简介:李立哲，男，博士，博士后，主要从事人工智能在交通及相变材料中的应用方面的研究. E-mail： lilizhe@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51872235);国家自然科学基金(52072302);国家自然科学基金(51802267);河北省教育厅科学研究项目(QN2025669)

Preparation and Property of Sponge-like Graphene Oxide/Polyethylene Glycol Composite Phase Change Materials

CAI Lei¹, LI Lizhe¹(), LI Hao²(), CAI Chang³, LI Tiehu²

^1.School of Automation
^2.School of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^3.School of Information Science and Technology，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China

Received:2025-02-09 Online:2025-10-10 Published:2025-06-06
Contact: LI Hao E-mail:lilizhe@nwpu.edu.cn;lihao@nwpu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51872235);the Science Research Project of Hebei Education Department, China(QN2025669)

摘要/Abstract

摘要：

针对现有复合相变材料(Composite phase change material, CPCM)中载体质量较大且导热性能不佳的问题，采用改进的Hummers方法制备了氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)胶体溶液，并通过冷冻干燥技术进一步制备成具有多孔结构的海绵状氧化石墨烯(Sponge-like graphene oxide, SLGO). 以SLGO为载体，聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)为相变介质，通过真空浸渍结合超声辅助工艺，制备了SLGO/PEG复合相变材料. 采用紫外-可见光谱(UV-Vis)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)和激光导热等表征技术分析了复合相变材料的微观结构和热物理性能. 研究结果表明， PEG在SLGO孔隙中的有效填充和片层吸附作用不仅显著增大了石墨烯层间距，并通过氢键与SLGO表面的含氧官能团形成了稳定的相互作用. 复合相变材料具有超过179 J/g的高潜热值和172.7 J/g的结晶焓，相对焓效率均超过90%，表明其优异的相变储能性能. 尤为重要的是， SLGO的添加显著提升了材料的热导率，当 SLGO的质量分数增至1%时，复合相变材料的热导率可达0.98 W·m^-1·K^-1. 此外，随着SLGO含量的增加，复合相变材料的定形效果得到显著增强.

关键词: 复合相变材料, 海绵状氧化石墨烯, 聚乙二醇, 潜热值, 热导率

Abstract:

To address the challenges of high carrier mass and insufficient thermal conductivity in existing composite phase change materials（CPCMs）， this study synthesized graphene oxide（GO） colloidal solutions via an improved Hummers method. A sponge-like graphene oxide（SLGO） with a porous structure was further fabricated through freeze-drying technology. Utilizing SLGO as the carrier and polyethylene glycol（PEG） as the phase change medium， the SLGO/PEG composite phase change material was prepared by combining vacuum impregnation with ultrasonic- assisted processing. The microstructure and thermophysical properties of the composite materials were systematically characterized using ultraviolet-visible（UV-Vis） spectroscopy， scanning electron microscopy（SEM）， Fourier-transform infrared（FTIR） spectroscopy， X-ray diffraction（XRD）， differential scanning calorimetry（DSC）， and laser thermal conductivity analysis. The results demonstrate that PEG effectively fills the pores of SLGO and adsorbs onto its layers， significantly expanding the graphene interlayer space and forming stable hydrogen bonds with oxygen-containing functional groups on the SLGO surface. The composite materials exhibited high latent heat values exceeding 179 J/g and crystallization enthalpies of 172.7 J/g， with relative enthalpy efficiencies over 90%， highlighting their excellent energy storage performance. Most importantly， the addition of SLGO significantly enhanced the thermal conductivity of the material， reaching 0.98 W·m^-1·K^-1 when the mass fraction of SLGO was increased to 1%. Furthermore， the shape stabilization of the composite material was significantly enhanced with higher SLGO content.

Key words: Composite phase change material, Sponge-like graphene oxide, Polyethylene glycol, Latent heat value, Thermal conductivity

中图分类号:

O631

TrendMD:

蔡磊, 李立哲, 李昊, 蔡畅, 李铁虎. 海绵状氧化石墨烯/聚乙二醇复合相变材料的制备及性能. 高等学校化学学报, 2025, 46(10): 20250035.

CAI Lei, LI Lizhe, LI Hao, CAI Chang, LI Tiehu. Preparation and Property of Sponge-like Graphene Oxide/Polyethylene Glycol Composite Phase Change Materials. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(10): 20250035.

图/表 11

Fig.1 UV⁃Vis spectra of graphene oxide colloidal solution

Fig.2 Digital image(A) and SEM image(B) of SLGO

Fig.3 SEM images of the surfaces of PEG(A) and SLGO/PEG(B), and the cross⁃sections of SLGO/PEG(C, D)

Fig.4 FTIR spectra of SLGO, PEG and SLGO/PEGa. SLGO; b. PEG; c. 2.0%SLGO/PEG; d. 1.5%SLGO/PEG; e. 1.0%SLGO/PEG; f. 0.5%SLGO/PEG.

Fig.5 XRD patterns of SLGO, PEG and SLGO/PEGInset： magnified XRD pattern of SLGO/PEG material in the range of 5°—10°.

Fig.6 DSC diagrams of PEG(A), PEG after cycling(B), and the CPCMs during the heating(C) and cooling(D) processes（C, D) a. PEG; b. 0.5%SLGO/PEG; c. 1.0%SLGO/PEG; d. 1.5%SLGO/PEG; e. 2.0%SLGO/PEG.

Table 1 DSC data of the heating process for PEG and SLGO/PEG

Material	Onset temperature of melting， T_om/℃	Peak temperature， T_tm/℃	Endset temperature of melting， T_em/℃	Enthalpy of fusion， ΔH_m/（J·g^-1）	Relative enthalpy efficiency， η（%）
PEG	50.9	54.7	55.6	202.1	100
0.5%SLGO/PEG	48.5	53.0	53.7	194.0	96.5
1.0%SLGO/PEG	50.7	54.8	56.3	191.6	95.8
1.5%SLGO/PEG	50.5	54.5	58.4	189.6	95.2
2.0%SLGO/PEG	50.6	54.6	55.7	179.1	90.4

Table 2 DSC data of the cooling process for PEG and SLGO/PEG

Materials	Onset temperature of crystallization， T_oc/℃	Peak temperature， T_tc/℃	Endset temperature of crystallization， T_ec/℃	Enthalpy of crystallization， ΔH_c/（J·g^-1）	Degree of supercooling， ΔT/℃
PEG	39.4	37.1	35.6	192.0	11.5
0.5%SLGO/PEG	39.7	37.1	35.6	185.4	8.8
1.0%SLGO/PEG	40.2	37.8	35.0	182.9	10.5
1.5%SLGO/PEG	39.4	36.9	34.6	180.2	11.1
2.0%SLGO/PEG	38.5	36.0	34.3	172.7	12.1

Fig.7 Thermal conductivity of PEG and SLGO/PEG

Fig.8 TGA curves of 1.5%SLGO/PEG(A) and 1.5%SLGO/PEG after thermal cycling(B)

Fig.9 Infrared thermographic images of the phase change material(PCM) at different heating durations（A） 0 s；（B）10 s；（C） 20 s；（D） 40 s；（E） 60 s；（F） after thermal cycling.

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海绵状氧化石墨烯/聚乙二醇复合相变材料的制备及性能

Preparation and Property of Sponge-like Graphene Oxide/Polyethylene Glycol Composite Phase Change Materials

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