主要成果
研究チームは、混合食品廃棄物をエンジニアリングしたバイオ炭とグラフェンのハイブリッド材料を開発し、相変化物質（PCM）であるパラフィン（ドコサン）を封入することで、優れた蓄熱性能と耐久性を実証しました。特に最適化した配合では、1000回の加熱・冷却サイクル後も潜熱の90.2%を保持し、未処理のバイオ炭を用いた複合体と比較して潜熱が72.0%向上しました。また、融点以上の70 degrees Celsiusでの漏出テストにおいて、質量損失を13.2 ± 0.82%に抑制し、未処理システムの17.4 ± 0.77%よりも優れた封止性能を示しました。
技術・詳細
製造プロセスでは、まず混合食品廃棄物を400 degrees Celsiusで1時間熱分解してバイオ炭を生成し、これを水酸化カリウムと1:0.5の比率で混合後、600、700、または800 degrees Celsiusで炭化させました（FK6, FK7, FK8）。その後、エタノールに分散させたグラフェン溶液に浸漬させるディップコーティング法により、バイオ炭質量に対し約1 weight percentのグラフェンを被覆させ、FK6G, FK7G, FK8Gのハイブリッド材料を合成しました。
構造解析の結果、700 degrees Celsiusで処理したFK7Gが最も優れた特性を示し、BET比表面積は323.1 square meters per gram、全細孔容積は0.582 cubic centimeters per gramに達しました。この骨格にドコサンを真空含浸させた複合体（FK7G/C22）は、融点47.6〜48.4 degrees Celsius、結晶化点37.5〜38.3 degrees Celsiusとなり、融解エンタルピーは93.1 joules per gramを記録しました。これは天然グラファイト由来のグラフェンを用いた複合体の値（95.6 joules per gram）に匹敵する性能であり、少量の添加で代替可能であることを示唆しています。
熱輸送性能においても、FK7Gの導入により熱拡散率が純粋なドコサン比で約188.3%向上しました。これはグラファイト骨格が効果的な熱伝達ネットワークを形成したためと考えられています。
背景・業界の文脈
相変化物質（PCM）は、融解と結晶化の際に一定温度で大量の熱を蓄積・放出するため、換気システムの温度変動を緩和する緩衝材として期待されています。しかし、ドコサンのような有機パラフィンは、純粋な状態では融解時の漏出、低い熱伝導率、繰り返しサイクルによる蓄熱容量の低下という課題がありました。従来の多孔質炭素（グラフェンや活性炭）による封入手法は、形状安定性の不足や製造コストの高騰、エネルギー集約的な製造プロセスがネックとなっていました。
今後の展望
本研究で開発された複合体は、22 degrees Celsiusから60 degrees Celsiusの間で1000回のサイクル試験に耐え、これは1日1サイクルの運用と仮定すると約3年間のエネルギー回収換気システムの動作に相当します。食品廃棄物を原料とするバイオ炭を利用することで、環境負荷を低減しつつ、高価な鉱山由来のグラファイトを少量で代替できる可能性が示されました。今後は、紙膜に結合させて換気システムにおける熱と水分の同時管理への応用が期待されます。
元記事: https://bioengineer.org/food-waste-biochar-turned-graphene-hybrid-stores-heat-and-manages-moisture/
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