CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.Tổng quan tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 2021, TS. Nguyễn Tiến Giang, giảng viên khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm của Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM cùng với các cộng sự đã nghiên cứu và tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng SSPCM n-octadecane/fumed silica ứng dụng làm lớp vỏ cho tòa nhà.
Với độ xốp cao lên tới 88% thể tích, FS có thể chứa một lượng lớn n-octadecane (70 wt%). Kết quả thu được cho thấy vật liệu có khả năng lưu trữ nhiệt ẩn cao (155.8 J/g), độ kết tinh lên đến 96.5% và nhiệt độ nóng chảy 26.76 °C gần với nhiệt độ nóng chảy của n-octadecane tinh khiết (28-30 oC), độ tin cậy nhiệt và độ ổn định hóa học tốt sau 200 chu trình nhiệt nóng chảy/kết tinh. Sau khi ngâm tẩm trong FS độ dẫn nhiệt của n-octadecanol giảm 34% so với ban đầu. Người ta đã thiết lập một thử nghiệm để kiểm tra sự thay đổi nhiệt độ trong phòng thử nghiệm của vật liệu SSPCM tổng hợp và tấm PS (polystyren) thương mại.
Kết quả cho thấy, khi được sử dụng làm mái nhà của phòng thử nghiệm, tấm vật liệu chuyển pha làm chậm quá trình truyền nhiệt vào phòng hiệu quả hơn và làm chậm sự gia tăng nhiệt độ trong phòng so với tấm polystyrene. Ở 2200s và 9000s sau khi chiếu sáng đèn, nhiệt độ trong phòng có mái là tấm SSPCM là 19.9 °C, trong khi nhiệt độ của căn phòng có mái là tấm polystyrene là 29. Nguyễn Tiến Giang cùng với TS. Lý Tấn Nhiệm của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh với một số cộng sự khác đã nghiên cứu và chế tạo thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng 1-octadecanol (C18OH )/fumed silica (FS) bằng phương pháp ngâm tẩm bay hơi hướng tới mục đích lưu trữ năng lượng nhiệt.
Với độ xốp cao lên đến 88%, FS cung cấp đủ không gian để chứa một lượng lớn C18OH lên tới 75% tổng khối lượng. Kết quả là C18OH/FS (SSPCM) cho thấy khả năng chống rò rỉ tốt, độ kết tinh cao lên đến 92.7% và khả năng lưu trữ nhiệt ẩn là 160. Ngoài ra, SSPCM C18OH/FS còn cung cấp độ tin cậy nhiệt tuyệt vời với thử nghiệm 500 chu kỳ nhiệt nóng chảy/kết tinh. [12] 1 Gần đây nhất năm 2023, TS.
Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn cùng các cộng sự đã nghiên cứu và tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng SSPCM 1-octadecanol (OD)/silica trung tính đã metyl hóa (OD/M-MS) bằng phương pháp ngâm tẩm bay hơi dung môi. Trong bài nghiên cứu này, tác giả đã so sánh kỹ lưỡng các đặc tính nhiệt của SSPCM OD/MS và OD/M-MS. Kết quả FT-IR của SSPCM OD/MS cho thấy các tương tác liên kết hydro (liên kết H) giữa các nhóm hydroxyl (-OH) trên các phân tử OD và các nhóm silanol (Si-OH) trên bề mặt MS đã ngăn cản sự di chuyển tự do và sắp xếp có trật tự của các phân tử OD để kết tinh, do đó làm giảm khả năng lưu trữ nhiệt. Bằng cách metyl hóa bề mặt MS, các tương tác liên kết H bị triệt tiêu và OD/M-MS có thể cải thiện hiệu suất lưu trữ nhiệt.
Khả năng lưu trữ nhiệt tăng 96.6 J/g (OD/M-MS), có độ tin cậy nhiệt tốt sau 400 chu kỳ nóng chảy/kết tinh. Ngoài ra, với chi phí thấp và hiệu suất nhiệt cao, OD/M-MS SSPCM là một vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt quy mô lớn [13]. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Lưu trữ năng lượng nhiệt sử dụng vật liệu chuyển pha PCM là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới được minh họa bằng số lượng bài báo nghiên cứu được xuất bản trong hai thập kỷ qua (Science Direct) - Hình 1 [1]. Ngoài ra, các vật liệu lưu trữ năng lượng nhiệt cũng đang thu hút được sự quan tâm về mặt thương mại với một số tổ chức bảo vệ công nghệ và thiết kế hệ thống thông qua các bằng sáng chế, cho thấy những tiến bộ công nghệ trong thời gian gần đây [6].1: Số lượng bài báo liên quan đến PCM năm 1996-2013 [1].
2 Tuy nhiên, rò rỉ pha lỏng là một thách thức lớn, ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của PCM. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc chuẩn bị vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (SSPCM) để ngăn rò rỉ chất lỏng đã thu hút được sự chú ý rất lớn [7]. Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu một số bài báo liên quan đến các công trình nghiên cứu nổi bật về vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng SSPCM. Năm 2017, Shuang Fan và cộng sự đã tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng SSPCM để lưu trữ năng lượng nhiệt bằng cách ngâm tẩm axit stearic (SA) vào các hạt vi cầu rỗng SiO2.
Các hình thái và khả năng tương thích của SSPCM tổng hợp được cho thấy vật liệu có tác dụng tối ưu, ngăn chặn sự rò rỉ SA ra khỏi vật liệu xốp nhờ tương tác giữa các bề mặt và lực mao dẫn. SA/SiO2 SSPCM với 70 wt% SA thể hiện nhiệt ẩn cao (đạt tới 135.3 J/g) và độ dẫn nhiệt 0.56 WmK–1, tăng 56% so với SA tinh khiết. Hơn nữa, vật liệu tổng hợp SSPCM SA/SiO2 còn thể hiện tính ổn định nhiệt tuyệt vời, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực lưu trữ năng lượng nhiệt [14]. Năm 2020, Hao Yi và cộng sự đã tổng hợp SSPCM có khả năng chuyển đổi và lưu trữ năng lượng nhiệt từ mặt trời nhằm tận dụng tối đa nguồn năng lượng sạch và tái tạo.
Trong nghiên cứu này, montmorillonite tự nhiên (Mt) đã được bóc tách ra thành các tấm nano montmorillonite (MtNS) hai chiều và sau đó được tự lắp ráp thành khung montmorillonite mạng ba chiều (3D-MtNS), để chứa axit stearic (SA) bằng phương pháp ngâm tẩm bay hơi dung môi. Khung 3D-MtNS mới lạ này cung cấp độ xốp siêu lớn và diện tích bề mặt riêng lớn có thể chứa đến 95.2 wt% SA mà không bị rò rỉ, khả năng lưu trữ nhiệt cao nhất (198.78 J/g) trong số các SSPCM dựa trên khoáng sét. Bên cạnh đó, MtNS được liên kết ngang trong toàn bộ vật liệu tổng hợp SSPCM, giúp nâng cao khả năng truyền nhiệt và hiệu suất chuyển đổi quang-nhiệt đáng kể [15], [16]. Ngoài ra, do sự bảo vệ của khung 3D-MtNS, các SSPCM tổng hợp thể hiện độ ổn định hình dạng và độ ổn định nhiệt cao [17].
Năm 2021, nhóm tác giả Rewan Wu cùng các công sự đã nghiên cứu và chế tạo thành công một SSPCM bằng việc kết hợp bọt carbon graphit 3 chiều điều chế ở 1200 oC (CGF-1200) và Stearic acid (SA) nhằm cải thiện khả năng tải, độ dẫn nhiệt và hiệu suất lưu trữ cho PCM. GCF được chế tạo bằng cách nhiệt phân hỗn hợp nanoMgO/nhựa 3 epoxy, sau đó xử lý bề mặt thông qua phản ứng nhiệt cacbon của Fe3O4. Kết quả cho thấy GCF-1200 có khả năng lưu trữ một lượng lớn SA lên đến 84.66 wt% mà không có bất kỳ sự rò rỉ nào xảy ra. Hỗn hợp SA/GCF-1200 đã tổng hợp thể hiện sự liên kết bề mặt tốt giữa GCF-1200 và SA mà không xảy ra sự phân tách pha.
Vật liệu này sở hữu cường độ nén cao 9.45 MPa, tăng khoảng 3.02 lần so với GCF-1200, đồng thời độ dẫn nhiệt được cải thiện gấp 4.36 lần so với SA tinh khiết. Ngoài ra, hỗn hợp nóng chảy ở 71.6 oC với entanpy nóng chảy là 181.8 J/g và kết tinh ở 64.0 oC với enthanpy kết tinh là 182.7 J/g, tương ứng với hiệu suất lưu trữ nhiệt lên tới 99. Đặc biệt hơn, SSPCM SA/GCF-1200 thể hiện độ ổn định nhiệt và ổn định hóa học tốt sau 200 chu kỳ nhiệt, cho thấy tiềm năng to lớn đối với các ứng dụng lưu trữ nhiệt năng [18]. Ngoài ra, với mong muốn tổng hợp được vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng SSPCM đa chức năng, các tác giả đã kết hợp vật liệu chuyển pha với các vật liệu có khả năng chuyển đổi quang thành nhiệt và từ trường thành nhiệt như: các vật liệu nano, graphen, graphen oxit, Fe3O4,.nhằm mở ra những ứng dụng lưu trữ nhiệt mới của SSPCM trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Năm 2019, Wentao Wang và cộng sự đã nghiên cứu và phát triển một SSPCM mới để chuyển đổi và lưu trữ năng lượng từ mặt trời và điện từ hiệu quả được tạo ra bằng cách kết hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PEG/SiO2 và các tấm nano graphene/Fe3O4 (Fe3O4/GNS) làm bộ chuyển đổi năng lượng. Hiệu ứng từ của các hạt nano Fe3O4 kết hợp với đặc tính thu ánh sáng của graphene trong Fe3O4/GNS, cho phép chuyển đổi từ tính hoặc ánh sáng thành nhiệt một cách hiệu quả. Vật liệu nanocompozit PCM thu được thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng cao (vượt quá 100 J/g), độ ổn định nhiệt tuyệt vời, hiệu suất lưu trữ và chuyển đổi năng lượng từ nhiệt và quang nhiệt lần lượt là 46. Năm 2021, Zhang Tao và các cộng sự đã tổng hợp thành công SSPCM có hiệu suất truyền nhiệt cao thông qua việc tích hợp polypyrrole/Fe3O4/chất nền aerogel sợi kapok rỗng (KF) với vật liệu chuyển pha là sáp paraffin (PW) bằng phương pháp ngâm tẩm nóng chảy trong môi trường chân không, viết tắt là KF@PPy-Fe3O4/ PW để chuyển đổi năng lượng nhiệt-từ dưới một từ trường xen kẽ.
Các SSPCM tổng hợp được có khả năng lưu trữ nhiệt cao 161.4 J/g đối với 88 wt% PW, cải thiện đáng kể tính dẫn nhiệt (cao hơn 4 30.7% so với PW tinh khiết) với độ ổn định chu kỳ tốt. Quan trọng hơn, aerogel sợi kapok rỗng hỗ trợ ngăn chặn sự rò rỉ và cải thiện khả năng chứa PCM, đồng thời cung cấp các tính năng có thể tái tạo và không gây ô nhiễm cho các SSPCM tổng hợp, mang lại tiềm năng to lớn cho ứng dụng thương mại trên quy mô lớn. Bên cạnh đó, lớp phủ kép polypyrrole (PPy) và các hạt nano Fe3O4 còn mang lại cho SSPCM đặc tính chuyển đổi năng lượng mặt trời/từ thành năng lượng nhiệt làm phong phú thêm nguồn lưu trữ năng lượng của vật liệu [20]. Năm 2022, Yang Gao cùng các cộng sự đã nghiên cứu và tổng hợp vật liệu SSPCM dựa trên Mxene/Fe3O4/MA để thực hiện đồng thời quá trình chuyển đổi và lưu trữ năng lượng quang-nhiệt và từ-nhiệt hiệu quả, thông qua phương pháp ngâm tẩm bay hơi dung môi chân không.
So với PCM hỗn hợp dựa trên MXene nguyên sơ, SSPCM dựa trên Mxene/Fe3O4/MA thể hiện hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt cực cao 97. Đáng chú ý, với sự gia tăng hàm lượng Fe3O4, enthanpy chuyển pha của các Mxene/Fe3O4/MA SSPCM 70 wt% MA đã tăng từ 132.60% tương ứng so với Mxene/MA.