红糖醇/硅藻土/石墨烯复合多尺度混合材料以增强热能储存：实验与机器学习优化

为需要时储存热量

现代生活越来越依赖像太阳这样的能源，而这些能源并不总是在我们需要的时候可用。一种平衡这些波动的方法是在热量充足时储存，并在需要时释放。本研究探讨了一种新型固体块材的制备方法，这些块材能够吸收大量热量，在内部熔化时保持形状，然后按需释放热量，帮助建筑和设备更高效地利用能量。

一种甜味材料的隐性局限

本研究的核心是红糖醇，这是一种常见的代糖，同时在熔化和凝固过程中具有很好的热储存能力。当它由固态变为液态时，会吸收大量能量，重新凝固时释放这些能量。这使其在中等温度的热储存系统中具有吸引力，例如太阳能热水或建筑温控系统。然而，纯红糖醇导热差且在熔化时容易渗漏，因此不能简单地直接注入容器中使用。

将粉末与薄片变为固体海绵

为了解决红糖醇的弱点，团队制备了一种矿物海绵。他们使用了硅藻土，这是一种天然形成的高度多孔岩石，由古代微藻的遗骸堆积而成。其微小通道作为刚性支架，可以吸收熔融的红糖醇并将其固定在内部。在真空条件下，研究者将熔融的糖醇抽入硅藻土孔隙，然后让混合物凝固成固体块。测试显示，增加硅藻土含量可以大幅提高高温下的形状稳定性，将加热时的质量损失从几个百分点降到略高于1%，但更多的矿物填料也降低了复合材料每克的储热量。

为更快热流铺设石墨烯通道

如果热量无法快速进出，良好的储存性能也无济于事。为此，团队加入了称为石墨烯纳米片的微小碳片，这类材料以优异的导热能力著称。扫描电子显微镜图像显示，薄片状的石墨烯在硅藻土与红糖醇混合物中均匀分布，形成连续通路，帮助热量跨材料传播。在仅含4%（质量比）石墨烯和40%硅藻土的配方下，复合材料的热导率相比纯红糖醇提高了约261%，达到了更接近工程固体的数值，同时在熔化过程中仍保持无渗漏特性。

用算法优化配方

因为更多的矿物或石墨烯并不总是意味着更好，作者转向计算机建模以寻找最佳配方。他们建立了两种模型：一种统计模型，通过数据拟合出一条曲面；另一种是简单的人工神经网络，模拟输入组合如何影响输出。利用27种不同混合物的测量数据，两种模型都学习到石墨烯与硅藻土含量如何改变热传导，并能高精度地预测新配方的导热性。这使研究者能够绘制出在快速热传导、良好储热能力和低质量之间取得平衡的实用成分范围。

这对日常能源使用的重要意义

结果是一系列固态、无渗漏的块体，能在中等温度下存储大量热能，同时比单一基体材更快地传递热量。简而言之，该研究展示了如何将一种类似糖的化合物、多孔天然岩石和碳片结合起来，并借助机器学习进行调优，以制造更聪明的热“电池”。此类材料可集成到太阳能加热器、建筑墙体或热罐中，在阳光充足时捕获热量并在需要时释放，有助于构建更稳定、更高效的未来能源系统。

引用: Nassar, A., Nassar, E., Rivilla, I. et al. Multi-scale hybrid composites of erythritol/diatomite/GNP for enhanced thermal energy storage: experimental and machine learning optimization. Sci Rep 16, 15458 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41825-4

关键词: 热能储存, 相变材料, 红糖醇复合材料, 石墨烯纳米片, 机器学习优化