Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khủng hoảng năng lượng và sự thiếu hụt tài nguyên thúc đẩy các nghiên cứu về lưu trữ năng lượng, đặc biệt là năng lượng nhiệt phục vụ các nhu cầu sưởi ấm, làm mát và thu hồi nhiệt thải công nghiệp. Trong các hệ thống lưu trữ nhiệt (Thermal Energy Storage - TES), hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (Latent Heat Storage - LHS) sử dụng vật liệu chuyển pha (Phase Change Materials - PCM) có khả năng tích trữ và giải phóng mật độ nhiệt lượng lớn trong quá trình biến đổi trạng thái ở nhiệt độ gần như không đổi. Phần lớn các công trình nghiên cứu hiện nay tập trung vào dải nhiệt độ thấp (dưới 80 °C), trong khi các ứng dụng nhiệt độ tầm trung (80 - 250 °C) phục vụ khai thác năng lượng mặt trời và thu hồi nhiệt thải công nghiệp còn tương đối hạn chế.

Bên cạnh đó, vật liệu chuyển pha dạng rắn - lỏng thường gặp phải các hạn chế kỹ thuật: rò rỉ chất lỏng khi chuyển pha, độ dẫn nhiệt và dẫn điện kém, khả năng hấp thụ quang học thấp và hiện tượng siêu lạnh (supercooling) làm cản trở quá trình giải phóng nhiệt. Để khắc phục, việc kết hợp PCM vào khung vật liệu xốp nhằm chế tạo vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (Shape-Stabilized Phase Change Material - SSPCM) có khả năng chuyển đổi và tích trữ năng lượng đa phương thức (quang - nhiệt, điện - nhiệt) đang là hướng đi cần thiết. Khóa luận lựa chọn Pyrogallol (PYL) - một hợp chất phenol có nhiệt độ nóng chảy khoảng 130 °C, độ ổn định nhiệt cao, ít giãn nở thể tích - làm pha chuyển dịch nhiệt độ trung bình, kết hợp cùng graphite giãn nở (Expanded Graphite - EG) làm khung nâng đỡ dẫn nhiệt, dẫn điện và hấp thụ bức xạ.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm hai nội dung:

  1. Tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PYL/EG bằng phương pháp ngâm tẩm dung môi với các tỷ lệ khối lượng khác nhau.
  2. Khảo sát toàn diện các tính chất của vật liệu SSPCM PYL/EG thu được, bao gồm: hình thái vi cấu trúc, độ tương thích hóa học, hành vi chuyển pha, khả năng lưu trữ nhiệt, độ ổn định nhiệt, khả năng chống rò rỉ, độ bền vòng lặp nhiệt và khả năng chuyển đổi quang/điện - nhiệt.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Pyrogallol (chất chuyển pha hữu cơ), Expanded Graphite (khung mang xốp carbon) và vật liệu composite ổn định hình dạng PYL/EG SSPCM.
  • Phạm vi nghiên cứu: Dải nhiệt độ tầm trung (80 - 250 °C, nhiệt độ khảo sát chuyển pha từ 70 - 150 °C và thử nghiệm nhiệt độ cao đến 140 °C); khảo sát 4 tỷ lệ phối trộn khối lượng gồm 60, 70, 80 và 90 wt% PYL trong EG; đánh giá độ bền nhiệt qua 50 chu kỳ nóng chảy - kết tinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết về hệ thống lưu trữ nhiệt năng (TES), phân định thành ba phương thức: lưu trữ nhiệt hiện (SHS), lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (LHS) và lưu trữ nhiệt hóa học (TCES). Trong đó, LHS dựa trên ẩn nhiệt chuyển pha của PCM được phân loại theo bản chất hóa học thành PCM vô cơ, PCM hữu cơ (paraffin và non-paraffin) và eutectic; phân loại theo nhiệt độ gồm nhiệt độ thấp (< 80 °C), nhiệt độ trung bình (80 - 250 °C) và nhiệt độ cao (> 250 °C). Cơ chế ổn định hình dạng của vật liệu dựa trên hiện tượng giam giữ mao dẫn (capillary force) và sức căng bề mặt trong các lỗ xốp kích thước micro của mạng lưới expanded graphite, ngăn chặn sự dịch chuyển của các phân tử PYL khi chuyển sang trạng thái lỏng.

Hóa chất và thiết bị thực nghiệm:

  • Hóa chất sử dụng gồm: Pyrogallol (xuất xứ Trung Quốc), Expanded Graphite (xuất xứ Hàn Quốc), và dung môi Ethanol $C_2H_6O$ (xuất xứ Trung Quốc).
  • Thiết bị nghiên cứu chính: Tủ sấy Memmert UN110 (Đức), lò nung Nabertherm 1400 °C (Đức), máy khuấy từ gia nhiệt IKA C-MAG HS7 (Đức), khuôn ép mẫu đường kính 20 mm.

Phương pháp tổng hợp và phân tích đánh giá:

  • Quy trình tổng hợp: Áp dụng phương pháp ngâm tẩm dung môi (solvent impregnation). PYL được hòa tan trong 30 mL ethanol, khuấy cơ không gia nhiệt 30 phút, sau đó bổ sung EG theo tỷ lệ tính toán, khuấy cơ 30 phút, tiếp tục gia nhiệt ở 80 °C trong 1 giờ để bay bớt dung môi, sấy hoàn thiện tại 80 °C trong 24 giờ.
  • Đánh giá hình thái bề mặt: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) trên thiết bị Hitachi S-4800, ghi nhận hình thái phân lớp và kích thước lỗ xốp.
  • Phân tích tương thích hóa học: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trong dải số sóng 4000 - 400 $cm^{-1}$ nhằm xác định các nhóm chức đặc trưng và liên kết liên phân tử.
  • Phân tích cấu trúc tinh thể: Nhiễu xạ tia X (XRD) quét góc $2\theta$ từ 5° đến 50°.
  • Đặc tính nhiệt và hành vi chuyển pha: Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) trên máy Netzsch DSC 214 Polyma trong môi trường khí $N_2$ (lưu lượng 20 mL/phút), tốc độ quét 5 °C/phút, khoảng nhiệt độ 70 - 150 °C (thực hiện 2 chu kỳ quét, loại bỏ chu kỳ đầu để khử lịch sử nhiệt).
  • Độ bền nhiệt: Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ phân hủy hoàn toàn.
  • Kiểm tra độ rò rỉ: Ép mẫu thành viên tròn đường kính 20 mm, đặt trên giấy lọc trong đĩa petri, gia nhiệt ở 140 °C trong 30 phút trong tủ sấy.
  • Thử nghiệm độ bền chu kỳ: Mẫu 80 wt% PYL/EG được gia nhiệt ở 140 °C trong 1 phút rồi để nguội, lặp lại liên tục 50 chu kỳ.
  • Đánh giá chuyển đổi năng lượng: Đo phổ hấp thụ UV-Vis (bước sóng 400 - 1100 nm); đo đường cong nhiệt độ - thời gian dưới ánh sáng mặt trời thực tế (cường độ 890 - 903 $W/m^2$); thử nghiệm với đèn hồng ngoại/halogen; khảo sát chuyển đổi điện - nhiệt qua nguồn điện cung cấp cho vật liệu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Kiến thức tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về vật liệu chuyển pha composite ở nhiệt độ tầm trung. Tác giả điểm lại nghiên cứu của TS. Nguyễn Tiến Giang (2023) về hệ Glutaric acid/EG (chứa 85 wt% GA, ẩn nhiệt 167 J/g, giảm độ siêu lạnh xuống dưới 5 °C, bền 300 chu kỳ), cùng các công trình quốc tế như Sebacic acid/EG (Wang và cộng sự, 2013, ẩn nhiệt 187 J/g), Tris@$SiO_2$ (Wu và cộng sự, 2014, ẩn nhiệt 146 J/g), Sebacic acid/CNTs (Zhang và cộng sự, 2018), Azelaic acid/EG (Hwang và cộng sự, 2021, ẩn nhiệt 162,5 J/g), D-mannitol/KBr/EG (Bai và cộng sự, 2022, ẩn nhiệt 215,7 J/g), Adipic acid/carbon sinh khối (Shao và cộng sự, 2022), Erythritol/EG (Ma và cộng sự, 2022) và D-mannitol/HDPE/EG (Wang và cộng sự, 2023).

Chương này trình bày cơ sở vật lý của ba hệ thống lưu trữ nhiệt (nhiệt hiện SHS, nhiệt tiềm ẩn LHS, nhiệt hóa học TCES); phân tích ưu - nhược điểm của các nhóm PCM; đặc tính của Pyrogallol với vai trò là vật liệu chuyển pha hữu cơ nhiệt độ trung bình chưa từng được công bố trước đó; phân loại vật liệu xốp theo chuẩn IUPAC (vi xốp < 2 nm, trung xốp 2 - 50 nm, xốp vĩ mô > 50 nm); cấu trúc của expanded graphite; nguyên lý chuyển đổi quang - nhiệt và điện - nhiệt dựa trên chất nền carbon dẫn điện, hấp thụ ánh sáng.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị mẫu, hóa chất và hệ thống đo đạc. Tác giả thiết lập công thức phối trộn cho 4 tỷ lệ mẫu PYL/EG SSPCM:

  • Mẫu 60 wt% PYL/EG: 60% PYL và 40% EG.
  • Mẫu 70 wt% PYL/EG: 70% PYL và 30% EG.
  • Mẫu 80 wt% PYL/EG: 80% PYL và 20% EG.
  • Mẫu 90 wt% PYL/EG: 90% PYL và 10% EG.

Chương này thuyết minh chi tiết quy trình ngâm tẩm dung môi với ethanol, quy trình xử lý nhiệt đuổi dung môi ở 80 °C trong 24 giờ. Quy trình kiểm tra độ rò rỉ được chuẩn hóa tại nhiệt độ 140 °C trong 30 phút trên giấy lọc. Quy trình thử nghiệm độ bền vòng lặp nhiệt được tiến hành trên mẫu 80 wt% PYL/EG qua 50 chu kỳ gia nhiệt (140 °C, 1 phút) và làm nguội tự nhiên. Các thông số vận hành của từng phép đo phân tích hiện đại (SEM Hitachi S-4800, FT-IR 4000 - 400 $cm^{-1}$, XRD góc $2\theta$ từ 5° đến 50°, DSC Netzsch 214 tốc độ 5 °C/phút trong dải 70 - 150 °C, TGA, UV-Vis 400 - 1100 nm, mô hình đo quang - nhiệt ngoài trời 890 - 903 $W/m^2$ và mô hình đo điện - nhiệt) được trình bày đầy đủ, tạo căn cứ kỹ thuật cho quá trình đánh giá.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và biện luận khoa học thông qua 9 tiểu mục:

  • Hình thái cấu trúc (SEM): Ảnh SEM cho thấy EG có cấu trúc dạng con sâu (worm-like) gồm các lớp graphite xếp chồng, tạo ra các lỗ rỗng kích thước 4 - 22 μm. Với các mẫu SSPCM từ 60 wt% đến 90 wt% PYL, PYL phân tán đều và lấp đầy dần các lỗ rỗng cũng như bao phủ bề mặt các lớp graphite.
  • Khả năng tương thích hóa học (FT-IR): Phổ FT-IR của PYL thể hiện các đỉnh ở 3340 $cm^{-1}$ (dao động kéo dãn O-H), 1619 và 1523 $cm^{-1}$ (kéo dãn C-O), 1619 - 1485 $cm^{-1}$ (C-C vòng benzene), 1331, 1195, 1064, 1002 $cm^{-1}$ (uốn trong mặt phẳng C-H), và 829, 769, 702 $cm^{-1}$ (uốn ngoài mặt phẳng C-H). Phổ EG có đỉnh tại 3442 $cm^{-1}$ (O-H) và 1631 $cm^{-1}$ (C=O). Phổ của các mẫu composite kết hợp đầy đủ các đỉnh đặc trưng của hai cấu tử mà không xuất hiện đỉnh mới, khẳng định giữa PYL và EG chỉ tồn tại tương tác vật lý (lực mao dẫn, liên kết hydro), không xảy ra phản ứng hóa học.
  • Đặc tính nhiệt (DSC): PYL ban đầu có nhiệt độ nóng chảy $T_m = 112,4$ °C, nhiệt độ kết tinh $T_s = 77,3$ °C, độ siêu lạnh $\Delta T = 35,1$ °C, ẩn nhiệt nóng chảy $\Delta H_m = 113,2$ J/g và ẩn nhiệt kết tinh $\Delta H_s = 129$ J/g. Khi tạo composite với EG, nhiệt độ nóng chảy của các mẫu 60 - 90 wt% tăng lên dải 121,5 - 127,1 °C, trong khi nhiệt độ kết tinh tăng mạnh lên 101,5 - 108,3 °C. Mức độ siêu lạnh của các mẫu SSPCM giảm rõ rệt xuống còn 11,0 - 14,5 °C (mẫu 80 wt% có $\Delta T$ thấp nhất, đạt 11,0 °C). Đáng chú ý, ẩn nhiệt nóng chảy thực nghiệm của các mẫu composite (60 wt%: 113 J/g; 70 wt%: 130,3 J/g; 80 wt%: 145,5 J/g; 90 wt%: 170,7 J/g) đều cao hơn 160 - 164% so với giá trị tính toán lý thuyết từ mẫu PYL ban đầu.
  • Đặc tính tinh thể (XRD và DSC giải trình): Phổ XRD chỉ ra mẫu PYL ban đầu có các đỉnh tại 7,2°, 14,5°, 22,1°, 28,4°. Khi tổng hợp composite, mẫu xuất hiện thêm đỉnh mới tại 8,6°. Phân tích mẫu PYL kết tinh lại từ ethanol không chứa EG ($PYL_{recrys}$) xác nhận sự xuất hiện của đỉnh 8,6°. Kết hợp phân tích DSC của $PYL_{recrys}$ cho thấy $T_m$ đạt 127,3 °C, $T_s$ đạt 90,3 °C và ẩn nhiệt $\Delta H_m$ tăng vọt lên 192,3 J/g (hoặc 192,8 J/g). Tác giả đối chiếu tài liệu để kết luận PYL ban đầu ở dạng ngậm nước ($PYL\cdot xH_2O$), sau quá trình hòa tan - kết tinh lại đã chuyển thành hỗn hợp dạng khan và ngậm nước có enthalpy cao hơn hẳn. Việc đưa EG vào cung cấp diện tích bề mặt lớn và các vị trí tạo mầm, thúc đẩy nhiệt độ kết tinh tăng từ 90,3 °C lên trên 101 °C, triệt tiêu đáng kể hiện tượng siêu lạnh.
  • Độ bền nhiệt (TGA): Mẫu PYL ban đầu mất 2,84% khối lượng ở khoảng 77,6 - 100 °C (tương ứng sự bay hơi của nước kết tinh), sau đó phân hủy mạnh từ 220 °C đến 300 °C. Các mẫu SSPCM 60 wt% và 80 wt% bắt đầu phân hủy ở 212 °C và 206 °C, vượt xa nhiệt độ chuyển pha làm việc (~121,5 °C). Lượng tro còn lại sau phân hủy đạt 41,3% ở mẫu 60 wt% PYL (tương ứng hàm lượng EG thực tế).
  • Khả năng chống rò rỉ: Các mẫu 60, 70 và 80 wt% giữ nguyên hình dạng, không để lại vết rò rỉ trên giấy lọc sau 30 phút ở 140 °C. Mẫu 90 wt% xuất hiện vết rò rỉ do hàm lượng PYL vượt quá sức chứa mao dẫn của EG. Tỷ lệ tải tối ưu đạt 80 wt% PYL.
  • Độ bền vòng lặp nhiệt (50 chu kỳ): Sau 50 chu kỳ tại 140 °C, mẫu 80 wt% có ẩn nhiệt nóng chảy đạt 151,7 J/g (so với 145,2 J/g ban đầu); phổ FT-IR giữ nguyên dạng đỉnh; phổ XRD cho thấy sự suy giảm đỉnh ở 7,2° do lượng nước kết tinh thoát dần sau các chu kỳ nhiệt, đưa PYL về dạng khan hoàn toàn.
  • Chuyển đổi quang - nhiệt: Đo UV-Vis khẳng định EG giúp tăng khả năng hấp thụ quang học trong vùng 400 - 1100 nm. Dưới ánh nắng mặt trời (890 - 903 $W/m^2$), mẫu 80 wt% hấp thụ nhiệt nhanh và đạt hiệu suất chuyển đổi quang - nhiệt lên tới 72%.
  • Chuyển đổi điện - nhiệt: Mạng lưới dẫn điện của EG cho phép mẫu 80 wt% PYL/EG chuyển hóa năng lượng điện thành nhiệt năng nhanh chóng ở mức điện áp thấp.

Kết quả và đóng góp của đề tài

Dữ liệu đặc tính nhiệt của PYL ban đầu, PYL kết tinh lại và các mẫu SSPCM được tổng hợp trong bảng đối chiếu sau:

Mẫu vật liệu Tỷ lệ PYL (wt%) $T_m$ (°C) $\Delta H_m$ (J/g) $T_s$ (°C) $\Delta H_s$ (J/g) $\Delta T$ (°C)
PYL ban đầu 100 112,4 113,2 77,3 129,x 35,1
PYL kết tinh lại ($PYL_{recrys}$) 100 127,3 192,3 90,3 - 37,0
PYL/EG 60 wt% 60 121,5 ~113,0 108,3 - 13,2
PYL/EG 70 wt% 70 125,x 130,3 106,x - 14,5
PYL/EG 80 wt% 80 126,x 145,5 108,x - 11,0
PYL/EG 90 wt% 90 127,1 170,7 101,5 - 12,x
PYL/EG 80 wt% (sau 50 chu kỳ) 80 126,x 151,7 - - -

Các kết quả thực nghiệm chính:

  1. Xác định hàm lượng giam giữ PCM tối ưu trong khung xốp EG là 80 wt% mà không xảy ra rò rỉ ở nhiệt độ thử nghiệm 140 °C trong 30 phút.
  2. Phát hiện quá trình kết tinh lại PYL bằng dung môi ethanol làm biến đổi cấu trúc tinh thể (từ dạng ngậm nước sang dạng khan), nâng enthalpy nóng chảy từ 113,2 J/g lên 192,3 J/g (hoặc 192,8 J/g).
  3. Khung xốp EG đóng vai trò tác nhân tạo mầm hiệu quả, nâng nhiệt độ kết tinh từ 77,3 °C (hoặc 90,3 °C ở mẫu kết tinh lại) lên mức 101,5 - 108,3 °C, qua đó thu hẹp độ siêu lạnh từ 35,1 - 37,0 °C xuống chỉ còn 11,0 - 14,5 °C.
  4. Mẫu 80 wt% PYL/EG duy trì tính ổn định nhiệt và tương thích hóa học tốt sau 50 chu kỳ nhiệt tại 140 °C, độ bền nhiệt phân hủy TGA lên tới 206 °C.
  5. Chứng minh khả năng chuyển đổi đa năng lượng: đạt hiệu suất quang - nhiệt lên tới 72% dưới ánh sáng mặt trời thực (890 - 903 $W/m^2$) và chuyển đổi điện - nhiệt nhanh ở điện thế thấp.

Đóng góp của tác giả: Đây là công trình đầu tiên đề xuất và sử dụng thành công Pyrogallol làm vật liệu chuyển pha hữu cơ cho dải nhiệt độ tầm trung (~130 °C); đồng thời làm sáng tỏ bản chất tăng nhiệt ẩn và cơ chế giảm hiện tượng siêu lạnh của hệ composite PYL/EG thông qua biến đổi pha tinh thể và hiệu ứng mao dẫn của graphite giãn nở.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

Dựa trên nội dung văn bản và các ý kiến đóng góp từ phiếu đánh giá phản biện của TS. Lê Minh Tâm, đề tài tồn tại một số hạn chế và hướng mở cần hoàn thiện:

  • Chưa kiểm tra định lượng tỷ lệ PYL thực tế ngấm vào khung cấu trúc EG so với tỷ lệ phối trộn danh định ban đầu (60, 70, 80, 90 wt%).
  • Sự biến thiên tính chất nhiệt ở mẫu 80 wt% cần thêm các thực nghiệm lặp lại để làm rõ tính quy luật giữa các dải tỷ lệ.
  • Cần chuẩn hóa thuật ngữ chuyên môn giữa trạng thái "kết tinh" và "vô định hình" của vật liệu sau khi xử lý nhiệt.
  • Cần làm rõ sự khác biệt trong mô tả thí nghiệm chuyển đổi điện - nhiệt giữa nguồn điện xoay chiều (AC) sử dụng thực tế và sơ đồ thể hiện nguồn một chiều (DC).
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo: Mở rộng số lượng chu kỳ kiểm tra độ bền nhiệt lên dải 200 - 300 chu kỳ; khảo sát định lượng chi tiết độ dẫn nhiệt thực tế (W/m·K) của composite so với PYL tinh khiết; tối ưu hóa thiết bị chuyển đổi điện - nhiệt ở quy mô ứng dụng thử nghiệm.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học, Hóa vô cơ, Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Kỹ thuật Năng lượng và Công nghệ Môi trường.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong văn bản bao gồm:

  • Quy trình tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng bằng kỹ thuật ngâm tẩm dung môi đơn giản, dễ triển khai trong phòng thí nghiệm.
  • Phương pháp luận biện luận cơ chế tinh thể và nhiệt lượng học: cách phối hợp phân tích XRD, DSC và TGA để bóc tách hiện tượng biến đổi pha ngậm nước/khan làm tăng enthalpy của vật liệu.
  • Phương pháp thiết kế các phép thử nghiệm thực tế đánh giá độ rò rỉ, độ bền chu kỳ nhiệt, phép đo quang - nhiệt ngoài trời và kiểm tra chuyển đổi điện - nhiệt.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao enthalpy nóng chảy của các mẫu composite PYL/EG lại cao hơn tính toán lý thuyết từ mẫu PYL ban đầu?

Hiện tượng này xuất phát từ việc mẫu PYL thương mại ban đầu tồn tại ở dạng ngậm nước ($PYL\cdot xH_2O$) với ẩn nhiệt nóng chảy chỉ đạt 113,2 J/g. Trong quá trình tổng hợp mẫu composite bằng phương pháp ngâm tẩm dung môi, PYL được hòa tan trong ethanol và kết tinh lại thành dạng khan ($PYL_{recrys}$) có cấu trúc tinh thể mới (xuất hiện đỉnh XRD tại 8,6°), mang ẩn nhiệt nóng chảy lên tới 192,3 J/g. Do đó, khi tính toán theo tỷ lệ khối lượng của pha khan mới hình thành, enthalpy thực nghiệm của composite đạt giá trị cao (từ 113,0 J/g đến 170,7 J/g), vượt xa mức dự tính dựa trên mẫu PYL ban đầu.

2. Tỷ lệ nạp PYL tối đa vào cấu trúc xốp của EG mà không gây rò rỉ là bao nhiêu?

Hàm lượng nạp tối đa đạt 80 wt% PYL. Tại các tỷ lệ 60, 70 và 80 wt%, lực mao dẫn, sức căng bề mặt và tương tác liên kết hydro của các lỗ rỗng kích thước 4 - 22 μm trong expanded graphite đủ lớn để giam giữ hoàn toàn PYL ở trạng thái lỏng (thử nghiệm ở 140 °C trong 30 phút không xuất hiện vết rò rỉ trên giấy lọc). Khi tăng lên tỷ lệ 90 wt%, lượng PYL vượt quá dung tích hấp phụ của các lỗ rỗng, dẫn đến hiện tượng rò rỉ chất lỏng ra bề mặt ngoài.

3. Expanded graphite đóng vai trò gì trong việc khắc phục hiện tượng siêu lạnh của PYL?

PYL ban đầu và PYL kết tinh lại có độ siêu lạnh lớn, lần lượt là 35,1 °C và 37,0 °C (nhiệt độ kết tinh thực tế chỉ đạt 77,3 °C và 90,3 °C dù nhiệt độ nóng chảy lên tới 112 - 127 °C). Sự xuất hiện của EG với diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và hệ lỗ rỗng phân bố dày đặc đóng vai trò làm các tâm tạo mầm dị thể, kích thích quá trình kết tinh diễn ra nhanh hơn và tại mức nhiệt độ cao hơn (101,5 - 108,3 °C). Nhờ đó, độ siêu lạnh ($\Delta T = T_m - T_s$) của các mẫu composite giảm mạnh xuống chỉ còn 11,0 - 14,5 °C.

4. Độ ổn định của vật liệu sau 50 chu kỳ gia nhiệt được biểu hiện như thế nào?

Sau 50 chu kỳ gia nhiệt ở 140 °C (mỗi chu kỳ 1 phút) rồi làm nguội, mẫu 80 wt% PYL/EG thể hiện độ bền cấu trúc và nhiệt lượng tốt: đường cong DSC không có sự thay đổi bất thường với enthalpy nóng chảy đạt 151,7 J/g; phổ FT-IR duy trì nguyên vẹn các đỉnh dao động đặc trưng của hai thành phần; phổ XRD ghi nhận sự suy giảm đỉnh tại 7,2°, phản ánh việc thoát hơi hoàn toàn lượng nước kết tinh còn sót lại để chuyển hẳn sang pha tinh thể khan ổn định.

5. Khả năng chuyển đổi quang - nhiệt của mẫu 80 wt% PYL/EG đạt được kết quả cụ thể ra sao?

Nhờ khả năng hấp thụ quang phổ rộng của EG trong vùng bước sóng 400 - 1100 nm (chứng minh qua đo UV-Vis), khi đặt mẫu 80 wt% PYL/EG dưới ánh nắng mặt trời thực tế có cường độ bức xạ 890 - 903 $W/m^2$, mẫu có tốc độ gia nhiệt nhanh vượt trội so với PYL tinh khiết và đạt hiệu suất chuyển đổi quang - nhiệt ghi nhận lên tới 72%.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đặng Quang Hưng đã tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PYL/EG cho dải nhiệt độ tầm trung bằng phương pháp ngâm tẩm dung môi đơn giản. Kết quả thực nghiệm xác định mẫu 80 wt% PYL/EG đạt hiệu năng tối ưu với khả năng chống rò rỉ ở 140 °C, ẩn nhiệt nóng chảy 145,5 J/g, độ siêu lạnh giảm xuống 11,0 °C, bền nhiệt phân hủy trên 206 °C và ổn định qua 50 chu kỳ gia nhiệt. Công trình làm sáng tỏ cơ chế chuyển pha tinh thể ngậm nước sang khan làm tăng enthalpy của Pyrogallol, đồng thời chứng minh tiềm năng ứng dụng của vật liệu trong lưu trữ nhiệt và chuyển đổi đa năng lượng (quang - nhiệt đạt hiệu suất 72% và điện - nhiệt ở điện thế thấp).