Nhóm nghiên cứu tại Đại học Yonsei, Hàn Quốc kết hợp than sinh học từ gỗ vân sam với loại khoáng chất đất sét tự nhiên gọi là montmorillonite, sau đó bơm vào hỗn hợp lai này hexadecane lỏng, loại paraffin có vai trò là vật liệu chuyển pha.

Vật liệu chuyển pha này, hấp thụ một lượng lớn nhiệt khi chúng tan chảy, sau đó giải phóng nhiệt khi chúng đông đặc, hoạt động như “pin” nhiệt nhỏ gọn để điều hòa sự thay đổi nhiệt độ, giúp làm mát cho các tòa nhà.

Các vật liệu composite chuyển pha thông thường, thường dựa vào vật liệu carbon đắt tiền hoặc có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, như graphene và ống nano carbon, để giữ paraffin nóng chảy tại chỗ và tăng cường truyền nhiệt.

Trong nghiên cứu mới này, nhóm nghiên cứu sử dụng than sinh học gốc lignocellulose, có nguồn gốc từ gỗ thải cây vân sam và đất sét montmorillonite được biến đổi, tạo ra cái mà họ mô tả là chất nền "khoáng sinh học".

Đất sét được xử lý bằng chất hữu cơ hoạt động bề mặt để mở cấu trúc lớp của nó, sau đó trộn với than sinh học, tạo thành mạng lưới xốp ba chiều. Loại than sinh học chế tạo bằng khoáng chất này tạo ra diện tích bề mặt tăng hơn 5 lần so với đất sét thô, tăng thêm không gian cho paraffin thấm vào và kết tinh.

Khi các nhà nghiên cứu bơm hexadecane vào hỗn hợp lai trong điều kiện chân không, vật liệu composite thu được - có tên là EMBC16 - lưu trữ năng lượng nhiệt nhiều hơn đáng kể so với vật liệu paraffin-đất sét tương tự không có than sinh học.

Vật liệu composite được chế tạo đạt giá trị nhiệt ẩn lên đến 121,3 joule/gram, tương ứng tăng khoảng 223% khả năng lưu trữ năng lượng so với vật liệu composite chỉ chứa montmorillonite. Độ dẫn nhiệt của vật liệu cũng cải thiện 78% so với paraffin nguyên chất, cho phép nhiệt truyền vào và ra nhanh hơn trong quá trình nóng chảy và đông đặc.

Trong các thử nghiệm gia nhiệt và làm nguội lặp đi, lặp lại, ở nhiệt độ từ khoảng 23 đến 50 độ C, EMBC16 duy trì hơn 95,9% nhiệt lượng tiềm ẩn ban đầu sau 1.000 chu kỳ và lượng paraffin nóng chảy chỉ rò rỉ dưới 2,2%, cho thấy độ ổn định lâu dài mạnh mẽ.

Để khám phá tác động thực tế, nhóm nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng năng lượng tòa nhà để kiểm tra hiệu suất hoạt động của vật liệu composite mới này khi được dùng làm vật liệu hoàn thiện nội thất trong một mô hình tòa nhà lịch sử ở Seoul.

So với việc chỉ sử dụng paraffin nguyên chất, các bức tường tích hợp EMBC16 giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng để làm mát hằng năm khoảng 54% trong mô hình và giảm nhu cầu làm mát khoảng 24,3% so với một tòa nhà cơ bản không sử dụng bất kỳ vật liệu chuyển pha nào.

Các thí nghiệm chụp ảnh nhiệt trên các mẫu trong phòng thí nghiệm cũng cho thấy bề mặt EMBC16 nóng lên chậm hơn so với vật liệu composite gốc đất sét và nguội đi một cách có kiểm soát, chứng minh cả hiệu ứng cách nhiệt và điều hòa nhiệt.

Cấu trúc xốp và thành phần hóa học bề mặt được điều chỉnh phù hợp của vật liệu, giúp cân bằng giữa khả năng lưu trữ nhiệt và truyền nhiệt, điều này rất quan trọng để làm giảm sự thay đổi nhiệt độ hàng ngày.

Vì vật liệu composite này sử dụng than sinh học từ chất thải sinh khối và khoáng chất đất sét dồi dào, các nhà nghiên cứu cho biết nó phù hợp với các mục tiêu của nền kinh tế tuần hoàn, đồng thời tránh được những lo ngại về môi trường liên quan đến các loại nanocarbon có chi phí cao.

Tuy nhiên, quy trình hiện tại dùng chất hoạt động bề mặt tổng hợp và các bước rửa mạnh, có thể tạo ra lượng nước thải lớn. Nhóm nghiên cứu đang xem xét thay thế chất hoạt động bề mặt bằng các phân tử sinh học giá rẻ, như saponin có nguồn gốc thực vật, áp dụng hệ thống tái chế nước khép kín và các phương pháp hoạt hóa hiệu quả hơn để sản xuất bền vững.

Vật liệu lai than sinh học-đất sét mở ra hướng đi dẫn đến các vật liệu nhiệt không chỉ có hiệu suất cao mà tạo tư duy biến chất thải thành tài nguyên. Các vật liệu composite này có thể giúp các tòa nhà trong tương lai lưu trữ nhiệt hoặc độ mát ban ngày và giải phóng nó khi cần thiết, giảm phụ thuộc vào các hệ thống điều hòa không khí thông thường.