Design and Synthesis of Solar-mediated Phase Changing Materials for the Improvement of 'Light-to-heat' Energy Conversion and Storage
저자
발행사항
용인 : 명지대학교 대학원, 2022
학위논문사항
발행연도
2022
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
경기도
기타서명
'빛-열' 에너지 변환 및 저장 개선을 위한 태양 매개 상변화 물질의 설계 및 합성
형태사항
183p. ; 26 cm
일반주기명
명지대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
지도교수: 김헌
UCI식별코드
I804:11023-000000077104
소장기관
Abundant energy sources are readily accessible, and the conversion and storage of these energies are critical in amending the current immense global energy demand, solar energy is recognized as one of the most renewable and sustainable energy sources due to its abundance and comprehensive harvesting techniques. With equal importance, strategies for energy conversion, and storage of these techniques are needed to attain optimal solar energy harvesting. Among these solar energy harvesting techniques is PCMs, with the ability to seamlessly convert and store an immense amount of solar-thermal energy during phase change transition without any harmful emission, EPCM provides a benevolent route for solar energy harvesting. However, considering the limited solar absorption and conversion ability of PCM and its traditional support and encapsulating material, which is dominated by conductivity modifications through heterogeneous incorporation of conductive additives. In the premise of effective solar thermal harvesting materials, both spectral solar absorption and light-to-heat conversion efficiency are essential aspects of photo energy cultivation. Therefore, tuning the light absorption capability to cover the full spectral range (Uv-Vis-NIR) is imperative. Also, approaches for the enhancement of light to heat conversion had been explored such as the following: (i) electron-hole generation and relaxation, (ii) localize plasmonic heating, and (iii) molecule thermal vibration. Inspired by these techniques, the construction of enhanced encapsulating materials is facilitated and materialized. First, light absorbance modification over a broad range of the solar spectrum is facilitated through the preparation of a tri-component encapsulating shell. The generated capsules can absorb irradiation in the UV-Vis range where it projects improved photothermal conversion compared to pristine predecessors. Secondly, to ensure the efficient conversion of the absorbed light photons, bandgap tunning alteration through the fabrication of a dual-MOF shell is adapted to emanate a narrow bandgap that promotes electron-hole generation upon irradiation thereby insinuating a photothermal energy conversion of 96.20%. Moreover, the generated dual-MOF shell projected an absorption on the entire spectral gamut effectively cultivating the solar energy. Lastly, a compounded mechanism is implemented and postulated by combining two photothermal conversion mechanisms, a heterogeneous core satellite was developed by coupling photoactive materials to promote localized plasmonic heating and molecule thermal vibration. The articulated core-satellite PCMs capsules also conferred absorption spectra covering UV-Vis-NIR, through the assimilated strategies a heightened photothermal conversion mechanism of 96.95% is garnered. Herein, a comprehensive strategy and advancement were conferred particularly on the design and engineering of the encapsulating material attributed to effective solar absorption and light to thermal energy conversion. We aim to present a thorough understanding of the light-to-thermal conversion mechanism. Thereby providing insightful techniques and mechanisms for the fabrication of improved EPCM energy harvesting and storage. Moreover, PCMs present struggles and future direction were also conferred.
더보기풍부한 에너지원은 쉽게 접근할 수 있으며 이러한 에너지의 변환 및 저장은 현재의 엄청난 글로벌 에너지 수요를 충족하는 데 중요하다. 태양 에너지는 풍부하고 포괄적인 수확 기술로 인해 가장 재생 가능하고 지속 가능한 에너지원 중 하나로 인식되고 있다. 마찬가지로, 최적의 태양 에너지 수확을 달성하기 위해서는 에너지 전환 및 저장 기술에 대한 전략이 필요하다. 이러한 태양 에너지 수확 기술 중에는 유해한 방출 없이 상변화 전환 동안 엄청난 양의 태양열 에너지를 원활하게 변환하고 저장할 수 있는 상변화물질(PCM)이 있으며 EPCM은 태양 에너지 수확을 위한 유익한 경로를 제공한다. 그러나 PCM의 제한된 태양광 흡수 및 변환 능력과 전도성 첨가제의 불균일한 통합을 통한 전도성 수정이 지배적인 기존 지지체 및 캡슐화 재료를 고려한다. 효과적인 태양열 수확 재료의 전제에서 스펙트럼 태양 흡수와 광열 변환 효율은 모두 광 에너지 재배의 필수 측면입니다. 따라서 전체 스펙트럼 범위(Uv-Vis-NIR)를 포함하도록 광 흡수 기능을 조정하는 것이 필수적이다. 또한, (i) 전자-정공 생성 및 이완, (ii) 플라즈몬 가열 국소화, (iii) 분자 열 진동과 같은 빛에서 열로의 변환을 향상시키기 위한 접근 방식이 연구되었다. 이러한 기술에서 영감을 받아 강화된 캡슐화 재료의 구성이 촉진되고 구체화된다. 첫째로, 광범위한 태양 스펙트럼에 대한 흡광도 조정은, 3성분 캡슐화 쉘의 준비를 통해 촉진된다. 생성된 캡슐은, UV-Vis 범위의 방사선을 흡수할 수 있으며 이전 제품에 비해 개선된 광열 변환 성능을 발휘한다. 둘째로, 흡수된 광자의 효율적인 변환을 보장하기 위해 이중-MOF 쉘의 제작을 통한 밴드갭 조정 변경은, 조사 시 전자-정공 생성을 촉진하고, 좁은 밴드갭을 발산하도록 조정되어, 96.20%의 광열 에너지 변환 효율을 가질 수 있다. 또한 생성된 이중-MOF 쉘은, 전체 스펙트럼 영역에서 흡수를 투영하여 태양 에너지를 효과적으로 활용할 수 있다. 마지막으로, 두 가지 광열 변환 메커니즘을 결합하여 복합 메커니즘의 구현이 가능하다는 아이디어로부터, 국부 플라즈몬 가열 및 분자 열 진동을 촉진하기 위해 광활성 물질을 결합하여 이종 코어위성 PCM 캡슐을 개발하였다. 연결된 코어-위성 PCM 캡슐은, 기대된 증진 전략대로 96.95%의 강화된 광열 변환 메커니즘을 획득하여 UV-Vis-NIR을 포함하는 흡수 스펙트럼을 제공했다. 이상과 같이, 본 연구에서는, 특히 효과적인 태양 흡수 및 빛을 열 에너지로 변환하는 봉지 재료의 설계 및 엔지니어링에 대한 포괄적인 발전 전략 제시 및 광-열 변환 메커니즘에 대한 철저한 이해를 제시하고자 하였다. 또한 개선된 EPCM 에너지 수확 및 저장의 제조를 위한 통찰력 있는 기술 및 메커니즘을 제공한다. 또한 PCM의 현재 개발 노력과 미래 방향에 대해서도 설명했다.
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