Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi peramban yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas. Untuk hasil terbaik, kami sarankan Anda menggunakan versi peramban yang lebih baru (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya atau JavaScript.
Asam stearat (SA) digunakan sebagai material perubahan fasa (PCM) dalam perangkat penyimpanan energi. Dalam penelitian ini, metode sol-gel digunakan untuk mikroenkapsulasi surfaktan cangkang SiO2. Berbagai jumlah SA (5, 10, 15, 20, 30, dan 50 g) dienkapsulasi dalam 10 mL tetraetil ortosilikat (TEOS). Material perubahan fasa mikroenkapsulasi (MEPCM) yang disintesis dikarakterisasi dengan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FT-IR), difraksi sinar-X (XRD), spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), dan mikroskopi elektron pemindaian (SEM). Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa SA berhasil dienkapsulasi oleh SiO2. Analisis termogravimetri (TGA) menunjukkan bahwa MEPCM memiliki stabilitas termal yang lebih baik daripada CA. Dengan menggunakan kalorimetri pemindaian diferensial (DSC), ditemukan bahwa nilai entalpi MEPCM tidak berubah bahkan setelah 30 siklus pemanasan-pendinginan. Di antara semua sampel mikroenkapsulasi, 50 g SA yang mengandung MEPCM memiliki panas laten peleburan dan pembekuan tertinggi, yaitu masing-masing 182,53 J/g dan 160,12 J/g. Nilai efisiensi kemasan dihitung menggunakan data termal dan efisiensi tertinggi ditemukan pada sampel yang sama, yaitu 86,68%.
Sekitar 58% energi yang digunakan dalam industri konstruksi digunakan untuk memanaskan dan mendinginkan bangunan1. Oleh karena itu, hal terpenting adalah menciptakan sistem energi efisien yang mempertimbangkan polusi lingkungan2. Teknologi panas laten menggunakan material perubahan fasa (PCM) dapat menyimpan energi tinggi pada fluktuasi suhu rendah3,4,5,6 dan dapat digunakan secara luas di bidang seperti perpindahan panas, penyimpanan energi surya, kedirgantaraan, dan pendingin udara7,8,9. PCM menyerap energi termal dari eksterior bangunan pada siang hari dan melepaskan energi pada malam hari10. Oleh karena itu, material perubahan fasa direkomendasikan sebagai material penyimpanan energi termal. Selain itu, terdapat berbagai jenis PCM seperti padat-padat, padat-cair, cair-gas, dan padat-gas11. Di antara jenis-jenis tersebut, material perubahan fasa yang paling populer dan sering digunakan adalah material perubahan fasa padat-padat dan material perubahan fasa padat-cair. Namun, penerapannya sangat sulit karena perubahan volume yang sangat besar pada material transisi fasa cair-gas dan padat-gas.
PCM memiliki berbagai aplikasi karena sifat-sifatnya: yang meleleh pada suhu di bawah 15°C dapat digunakan dalam sistem pendingin udara untuk menjaga suhu dingin, dan yang meleleh pada suhu di atas 90°C dapat digunakan dalam sistem pemanas untuk mencegah kebakaran12. Tergantung pada aplikasi dan kisaran titik leleh, berbagai material perubahan fasa telah disintesis dari berbagai bahan kimia organik dan anorganik13,14,15. Parafin adalah material perubahan fasa yang paling umum digunakan dengan panas laten tinggi, tidak korosif, aman, dan memiliki kisaran titik leleh yang luas16,17,18,19,20,21.
Namun, karena konduktivitas termal material perubahan fasa yang rendah, material tersebut perlu dikapsulasi dalam cangkang (lapisan luar) untuk mencegah kebocoran material dasar selama proses perubahan fasa22. Selain itu, kesalahan operasional atau tekanan eksternal dapat merusak lapisan luar (pelapis), dan material perubahan fasa yang meleleh dapat bereaksi dengan bahan bangunan, menyebabkan korosi pada batang baja yang tertanam, sehingga mengurangi masa pakai bangunan23. Oleh karena itu, penting untuk mensintesis material perubahan fasa yang dikapsulasi dengan material cangkang yang cukup, yang dapat mengatasi masalah-masalah di atas24.
Mikroenkapsulasi material perubahan fasa dapat secara efektif meningkatkan perpindahan panas dan mengurangi reaktivitas lingkungan, serta mengontrol perubahan volume. Berbagai metode telah dikembangkan untuk enkapsulasi PCM, yaitu polimerisasi antarmuka25,26,27,28, polimerisasi in situ29,30,31,32, koaservasi33,34,35 dan proses sol-gel36,37,38,39. Resin formaldehida dapat digunakan untuk mikroenkapsulasi40,41,42,43. Resin melamin-formaldehida dan urea-formaldehida digunakan sebagai bahan cangkang, yang sering mengeluarkan formaldehida beracun selama pengoperasian. Oleh karena itu, bahan-bahan ini dilarang digunakan dalam proses pengemasan. Namun, material perubahan fasa yang ramah lingkungan untuk penyimpanan energi termal yang dapat diskalakan dapat disintesis menggunakan nanokapsul hibrida berbasis asam lemak dan lignin 44.
Zhang et al. 45 et al. mensintesis asam laurat dari tetraetil ortosilikat dan menyimpulkan bahwa seiring peningkatan rasio volume metiltrietoksisilana terhadap tetraetil ortosilikat, panas laten menurun dan hidrofobisitas permukaan meningkat. Asam laurat mungkin merupakan bahan inti yang potensial dan efektif untuk serat kapuk46. Selain itu, Latibari et al. 47 mensintesis PCM berbasis asam stearat menggunakan TiO2 sebagai bahan cangkang. Zhu et al. menyiapkan n-oktadekana dan nanokapsul silikon sebagai PCM potensial48. Dari tinjauan literatur, sulit untuk memahami dosis yang direkomendasikan untuk pembentukan bahan perubahan fasa mikroenkapsulasi yang efektif dan stabil.
Oleh karena itu, menurut pengetahuan penulis, jumlah material perubahan fasa yang digunakan untuk mikroenkapsulasi merupakan parameter penting untuk produksi material perubahan fasa mikroenkapsulasi yang efisien dan stabil. Penggunaan jumlah material perubahan fasa yang berbeda akan memungkinkan kita untuk menjelaskan berbagai sifat dan stabilitas material perubahan fasa mikroenkapsulasi. Asam stearat (asam lemak) adalah zat yang ramah lingkungan, penting secara medis, dan ekonomis yang dapat digunakan untuk menyimpan energi termal karena memiliki nilai entalpi yang tinggi (~200 J/g) dan dapat menahan suhu hingga 72 °C. Selain itu, SiO2 tidak mudah terbakar, memberikan kekuatan mekanik yang lebih tinggi, konduktivitas termal, dan ketahanan kimia yang lebih baik pada material inti, serta bertindak sebagai material pozzolanik dalam konstruksi. Ketika semen dicampur dengan air, PCM yang terenkapsulasi dengan buruk dapat retak karena keausan mekanis dan suhu tinggi (panas hidrasi) yang dihasilkan dalam struktur beton masif. Oleh karena itu, penggunaan CA mikroenkapsulasi dengan cangkang SiO2 dapat mengatasi masalah ini. Oleh karena itu, tujuan penelitian ini adalah untuk menyelidiki kinerja dan efisiensi PCM yang disintesis dengan proses sol-gel dalam aplikasi konstruksi. Dalam penelitian ini, kami secara sistematis mempelajari berbagai jumlah SA (sebagai bahan dasar) yaitu 5, 10, 15, 20, 30 dan 50 g yang dienkapsulasi dalam cangkang SiO2. Sejumlah tetraetilortosilikat (TEOS) dengan volume 10 ml digunakan sebagai larutan prekursor untuk pembentukan cangkang SiO2.
Asam stearat (SA, C18H36O2, titik leleh: 72°C) kualitas reaktif sebagai bahan inti dibeli dari Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Korea Selatan. Tetraetilortosilikat (TEOS, C8H20O4Si) sebagai larutan prekursor dibeli dari Acros Organics, Geel, Belgia. Selain itu, etanol absolut (EA, C2H5OH) dan natrium lauril sulfat (SLS, C12H25NaO4S) dibeli dari Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Korea Selatan, dan digunakan masing-masing sebagai pelarut dan surfaktan. Air suling juga digunakan sebagai pelarut.
Berbagai jumlah SA dicampur dengan berbagai proporsi natrium lauril sulfat (SLS) dalam 100 mL air suling menggunakan pengaduk magnetik pada 800 rpm dan 75 °C selama 1 jam (Tabel 1). Emulsi SA dibagi menjadi dua kelompok: (1) 5, 10 dan 15 g SA dicampur dengan 0,10 g SLS dalam 100 ml air suling (SATEOS1, SATEOS2 dan SATEOS3), (2) 20, 30 dan 50 g SA dicampur dengan 0,15, 0,20 dan 0,25 g SLS dalam 100 ml air suling (SATEOS4, SATEOS5 dan SATEOS6). 0,10 g SLS digunakan dengan 5, 10 dan 15 g SA untuk membentuk emulsi masing-masing. Selanjutnya, diusulkan untuk meningkatkan jumlah SLS untuk SATEOS4, SATEOS5 dan SATEOS6. Tabel 1 menunjukkan rasio CA dan SLS yang digunakan untuk mendapatkan larutan emulsi yang stabil.
Masukkan 10 ml TEOS, 10 ml etanol (EA), dan 20 ml air suling ke dalam gelas beker 100 ml. Untuk mempelajari efisiensi enkapsulasi dari berbagai rasio SA dan cangkang SiO2, koefisien sintesis dari semua sampel dicatat. Campuran diaduk dengan pengaduk magnetik pada 400 rpm dan 60°C selama 1 jam. Larutan prekursor kemudian ditambahkan tetes demi tetes ke dalam emulsi SA yang telah disiapkan, diaduk kuat pada 800 rpm dan 75°C selama 2 jam, dan disaring untuk mendapatkan bubuk putih. Bubuk putih tersebut dicuci dengan air suling untuk menghilangkan sisa SA dan dikeringkan dalam oven vakum pada 45°C selama 24 jam. Hasilnya, SC mikroenkapsulasi dengan cangkang SiO2 diperoleh. Seluruh proses sintesis dan persiapan SA mikroenkapsulasi ditunjukkan pada Gambar 1.
Mikrokapsul SA dengan cangkang SiO2 disiapkan dengan metode sol-gel, dan mekanisme enkapsulasinya ditunjukkan pada Gambar 2. Langkah pertama melibatkan persiapan emulsi SA dalam larutan berair dengan SLS sebagai surfaktan. Dalam hal ini, ujung hidrofobik molekul SA berikatan dengan SLS, dan ujung hidrofilik berikatan dengan molekul air, membentuk emulsi yang stabil. Dengan demikian, bagian hidrofobik SLS terlindungi dan menutupi permukaan tetesan SA. Di sisi lain, hidrolisis larutan TEOS terjadi perlahan oleh molekul air, yang menyebabkan pembentukan TEOS terhidrolisis dengan adanya etanol (Gambar 2a) 49,50,51. TEOS terhidrolisis mengalami reaksi kondensasi, di mana n-TEOS terhidrolisis membentuk gugus silika (Gambar 2b). Gugus silika dienkapsulasi oleh SA52 dengan adanya SLS (Gambar 2c), yang disebut proses mikroenkapsulasi.
Diagram skematik mikroenkapsulasi CA dengan cangkang SiO2 (a) hidrolisis TEOS (b) kondensasi hidrolisat dan (c) enkapsulasi CA dengan cangkang SiO2.
Analisis kimia SA curah dan SA mikroenkapsulasi dilakukan menggunakan spektrometer inframerah transformasi Fourier (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA) dan spektrum direkam dalam rentang 500 hingga 4000 cm-1.
Difraktometer sinar-X (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Jepang) digunakan untuk menganalisis fase SA curah dan material mikrokapsul. Pemindaian struktur sinar-X dilakukan dalam rentang 2θ = 5°–95° dengan kecepatan pemindaian 4°/menit, menggunakan radiasi Cu-Kα (λ = 1,541 Å), kondisi operasi 25 kV dan 100 mA, dalam mode pemindaian kontinu. Citra sinar-X dibuat dalam rentang 2θ = 5–50°, karena tidak ada puncak yang diamati setelah 50° pada semua sampel.
Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) dilakukan menggunakan Al Kα (1486,6 eV) sebagai sumber sinar-X untuk memahami keadaan kimia SA curah serta unsur-unsur yang ada dalam bahan enkapsulasi. Spektrum XPS yang dikumpulkan dikalibrasi ke puncak C 1s menggunakan karbon eksotis (energi ikat 284,6 eV). Setelah koreksi latar belakang menggunakan metode Shirley, puncak resolusi tinggi dari setiap unsur didekonvolusi dan dicocokkan dengan fungsi Gaussian/Lorentzian menggunakan perangkat lunak CASA XPS.
Morfologi SC curah dan SC mikroenkapsulasi diperiksa menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Republik Ceko) yang dilengkapi dengan spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDS) pada 15 kV. Sebelum pencitraan SEM, sampel dilapisi dengan platinum (Pt) untuk menghindari efek pengisian muatan.
Sifat termal (titik leleh/pembekuan dan panas laten) dan keandalan (siklus termal) ditentukan dengan kalorimetri pemindaian diferensial (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) pada laju pemanasan/pendinginan 10 °C/menit pada suhu 40 °C dan 90 °C dengan aliran nitrogen kontinu. Analisis kehilangan berat dilakukan menggunakan alat analisis TGA (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) dalam aliran nitrogen kontinu yang dimulai pada suhu 40–600 °C, dengan laju pemanasan 10 °C/menit.
Gambar 3 menunjukkan spektrum FTIR dari SC curah serta SC mikroenkapsulasi (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 dan SATEOS6). Puncak serapan pada 2910 cm-1 dan 2850 cm-1 pada semua sampel (SA serta SA mikroenkapsulasi) dikaitkan dengan vibrasi peregangan simetris dari gugus –CH3 dan –CH2, masing-masing10,50. Puncak pada 1705 cm–1 sesuai dengan vibrasi peregangan ikatan C=O. Puncak pada 1470 cm-1 dan 1295 cm-1 dikaitkan dengan vibrasi lentur bidang dari gugus fungsional –OH, sedangkan puncak pada 940 cm-1 dan 719 cm-1 sesuai dengan vibrasi bidang dan vibrasi deformasi bidang, masing-masing gugus –OH. Puncak serapan SA pada 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 dan 719 cm-1 juga diamati pada semua SA yang dienkapsulasi mikro. Selain itu, puncak yang baru ditemukan pada 1103 cm-1 yang sesuai dengan vibrasi peregangan antisimetris pita Si-O-Si diamati pada mikrokapsul SA. Hasil FT-IR konsisten dengan Yuan dkk. 50 Mereka berhasil menyiapkan SA yang dienkapsulasi mikro dalam rasio amonia/etanol dan menemukan bahwa tidak terjadi interaksi kimia antara SA dan SiO2. Hasil studi FT-IR saat ini menunjukkan bahwa cangkang SiO2 berhasil mengenkapsulasi SA (inti) melalui proses kondensasi dan polimerisasi TEOS terhidrolisis. Pada kandungan SA yang lebih rendah, intensitas puncak pita Si-O-Si lebih tinggi (Gambar 3b-d). Ketika jumlah SA meningkat hingga lebih dari 15 g, intensitas puncak dan pelebaran pita Si-O-Si secara bertahap menurun, menunjukkan pembentukan lapisan tipis SiO2 pada permukaan SA.
Spektrum FTIR dari (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 dan (g) SATEOS6.
Pola XRD dari SA curah dan SA mikroenkapsulasi ditunjukkan pada Gambar 4. Puncak XRD terletak pada 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}menurut JCPDS No. 0381923, 02)\), 21,42° pada semua sampel (311), 24,04° (602) dan 39,98° (913) dikaitkan dengan SA. Distorsi dan hibriditas dengan CA curah disebabkan oleh faktor-faktor yang tidak pasti seperti surfaktan (SLS), zat residu lainnya dan mikroenkapsulasi SiO250. Setelah enkapsulasi terjadi, intensitas puncak utama (300), (500), (311), dan (602) secara bertahap menurun dibandingkan dengan CA curah, menunjukkan penurunan kristalinitas sampel.
Pola XRD dari (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 dan (g) SATEOS6.
Intensitas SATEOS1 menurun tajam dibandingkan dengan sampel lainnya. Tidak ada puncak lain yang diamati pada semua sampel mikroenkapsulasi (Gambar 4b–g), yang menegaskan bahwa adsorpsi fisik SiO252, bukan interaksi kimia, terjadi pada permukaan SA. Selain itu, disimpulkan juga bahwa mikroenkapsulasi SA tidak menyebabkan munculnya struktur baru. SiO2 tetap utuh pada permukaan SA tanpa reaksi kimia apa pun, dan seiring dengan penurunan jumlah SA, puncak yang ada menjadi lebih jelas (SATEOS1). Hasil ini menunjukkan bahwa SiO2 terutama menyelimuti permukaan SA. Puncak pada (700) menghilang sepenuhnya, dan puncak pada \((\overline{5}02)\) menjadi punuk pada SATEOS 1 (Gambar 4b), yang terkait dengan penurunan kristalinitas dan peningkatan amorfisme. SiO2 bersifat amorf, sehingga puncak yang diamati dari 2θ = 19° hingga 25° memiliki punuk dan pelebaran53 (Gambar 4b–g), yang menegaskan keberadaan SiO2 amorf52. Intensitas puncak difraksi SA yang dienkapsulasi mikro lebih rendah disebabkan oleh efek nukleasi dinding bagian dalam silika dan perilaku kristalisasi yang terbatas49. Dipercaya bahwa dengan kandungan SA yang lebih rendah, cangkang silika yang lebih tebal terbentuk karena adanya sejumlah besar TEOS, yang sebagian besar terserap pada permukaan luar SA. Namun, seiring bertambahnya jumlah SA, luas permukaan tetesan SA dalam larutan emulsi meningkat dan lebih banyak TEOS diperlukan untuk enkapsulasi yang tepat. Oleh karena itu, dengan kandungan SA yang lebih tinggi, puncak SiO2 dalam FT-IR ditekan (Gambar 3), dan intensitas puncak difraksi di dekat 2θ = 19–25° dalam XRF (Gambar 4) menurun dan ekspansi juga menurun. Tidak terlihat. Namun, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4, segera setelah jumlah SA ditingkatkan dari 5 g (SATEOS1) menjadi 50 g (SATEOS6), puncak-puncak tersebut menjadi sangat dekat dengan SA curah, dan puncak pada (700) muncul dengan semua intensitas puncak teridentifikasi. Hasil ini berkorelasi dengan hasil FT-IR, di mana intensitas puncak SiO2 SATEOS6 menurun pada 1103 cm-1 (Gambar 3g).
Keadaan kimia unsur-unsur yang terdapat dalam SA, SATEOS1, dan SATEOS6 ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2. Gambar 5, 6, 7, dan 8 serta Tabel 2. Pemindaian pengukuran untuk SA, SATEOS1, dan SATEOS6 dalam jumlah besar ditunjukkan pada Gambar 5, dan pemindaian resolusi tinggi untuk C 1s, O 1s, dan Si 2p ditunjukkan pada Gambar 5, 6, 7, dan 8 serta Tabel 2. Nilai energi ikat yang diperoleh dengan XPS dirangkum dalam Tabel 2. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 5, puncak Si 2s dan Si 2p yang jelas diamati pada SATEOS1 dan SATEOS6, di mana terjadi mikroenkapsulasi cangkang SiO2. Peneliti sebelumnya telah melaporkan puncak Si 2s serupa pada 155,1 eV54. Kehadiran puncak Si pada SATEOS1 (Gambar 5b) dan SATEOS6 (Gambar 5c) mengkonfirmasi data FT-IR (Gambar 3) dan XRD (Gambar 4).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a, C 1s dari SA massal memiliki tiga puncak berbeda yaitu C–C, kalifitik, dan O=C=O pada energi ikat, yang masing-masing adalah 284,5 eV, 285,2 eV, dan 289,5 eV. Puncak C–C, kalifitik, dan O=C=O juga diamati pada SATEOS1 (Gambar 6b) dan SATEOS6 (Gambar 6c) dan dirangkum dalam Tabel 2. Selain itu, puncak C 1s juga sesuai dengan puncak Si-C tambahan pada 283,1 eV (SATEOS1) dan 283,5 eV (SATEOS6). Energi ikat yang kami amati untuk C–C, kalifitik, O=C=O, dan Si–C berkorelasi baik dengan sumber lain55,56.
Spektrum XPS dari O 1 SA, SATEOS1 dan SATEOS6 ditunjukkan pada Gambar 7a–c, masing-masing. Puncak O 1s dari SA curah didekonvolusi dan memiliki dua puncak, yaitu C=O/C–O (531,9 eV) dan C–O–H (533,0 eV), sedangkan O 1 dari SATEOS1 dan SATEOS6 konsisten, hanya ada tiga puncak: C=O/C–O, C–O–H dan Si–OH55,57,58. Energi ikat O 1s dalam SATEOS1 dan SATEOS6 sedikit berubah dibandingkan dengan SA curah, yang terkait dengan perubahan fragmen kimia karena adanya SiO2 dan Si-OH dalam material cangkang.
Spektrum XPS Si 2p dari SATEOS1 dan SATEOS6 ditunjukkan pada Gambar 8a dan b, masing-masing. Pada CA curah, Si 2p tidak teramati karena tidak adanya SiO2. Puncak Si 2p sesuai dengan 105,4 eV untuk SATEOS1 dan 105,0 eV untuk SATEOS6, yang sesuai dengan Si-O-Si, sedangkan puncak SATEOS1 adalah 103,5 eV dan puncak SATEOS6 adalah 103,3 eV, yang sesuai dengan Si-OH55. Pencocokan puncak Si-O-Si dan Si-OH pada SATEOS1 dan SATEOS6 menunjukkan keberhasilan mikroenkapsulasi SiO2 pada permukaan inti SA.
Morfologi material mikroenkapsulasi sangat penting, karena mempengaruhi kelarutan, stabilitas, reaktivitas kimia, kemampuan mengalir, dan kekuatan59. Oleh karena itu, SEM digunakan untuk mengkarakterisasi morfologi SA curah (100×) dan SA mikroenkapsulasi (500×), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Seperti yang terlihat pada Gambar 9a, blok SA memiliki bentuk elips. Ukuran partikel melebihi 500 mikron. Namun, begitu proses mikroenkapsulasi berlanjut, morfologi berubah secara dramatis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 b–g.
Gambar SEM dari (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 dan (g) SATEOS6 pada ×500.
Pada sampel SATEOS1, terlihat partikel SA yang lebih kecil berbentuk kuasi-bola yang dilapisi SiO2 dengan permukaan kasar (Gambar 9b), yang mungkin disebabkan oleh hidrolisis dan polimerisasi kondensasi TEOS pada permukaan SA, mempercepat difusi cepat molekul etanol. Akibatnya, partikel SiO2 mengendap dan terjadi aglomerasi52,60. Cangkang SiO2 ini memberikan kekuatan mekanik pada partikel CA yang dienkapsulasi mikro dan juga mencegah kebocoran CA cair pada suhu yang lebih tinggi10. Hasil ini menunjukkan bahwa mikrokapsul SA yang mengandung SiO2 dapat digunakan sebagai bahan penyimpanan energi potensial61. Seperti yang terlihat pada Gambar 9b, sampel SATEOS1 memiliki distribusi partikel yang seragam dengan lapisan SiO2 tebal yang membungkus SA. Ukuran partikel SA yang dienkapsulasi mikro (SATEOS1) sekitar 10–20 μm (Gambar 9b), yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan SA curah karena kandungan SA yang lebih rendah. Ketebalan lapisan mikrokapsul disebabkan oleh hidrolisis dan polimerisasi kondensasi larutan prekursor. Aglomerasi terjadi pada dosis SA yang lebih rendah, yaitu hingga 15 g (Gambar 9b-d), tetapi begitu dosis ditingkatkan, tidak ada aglomerasi yang diamati, melainkan partikel bulat yang jelas terlihat (Gambar 9e-g) 62.
Selain itu, ketika jumlah surfaktan SLS konstan, kandungan SA (SATEOS1, SATEOS2 dan SATEOS3) juga memengaruhi efisiensi, bentuk dan distribusi ukuran partikel. Dengan demikian, SATEOS1 ditemukan menunjukkan ukuran partikel yang lebih kecil, distribusi seragam dan permukaan padat (Gambar 9b), yang disebabkan oleh sifat hidrofilik SA yang mendorong nukleasi sekunder di bawah surfaktan konstan63. Dipercaya bahwa dengan meningkatkan kandungan SA dari 5 menjadi 15 g (SATEOS1, SATEOS2 dan SATEOS3) dan menggunakan jumlah surfaktan konstan, yaitu 0,10 g SLS (Tabel 1), kontribusi setiap partikel molekul surfaktan akan berkurang, sehingga mengurangi ukuran partikel dan distribusi ukuran partikel. Distribusi SATEOS2 (Gambar 9c) dan SATEOS3 (Gambar 9d) berbeda dari distribusi SATEOS 1 (Gambar 9b).
Dibandingkan dengan SATEOS1 (Gambar 9b), SATEOS2 menunjukkan morfologi SA mikroenkapsulasi yang padat dan ukuran partikel meningkat (Gambar 9c). Hal ini disebabkan oleh aglomerasi 49, yang mengurangi laju koagulasi (Gambar 2b). Seiring dengan peningkatan jumlah SC seiring dengan peningkatan SLS, mikrokapsul menjadi terlihat jelas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar bagaimana agregasi terjadi. Selain itu, Gambar 9e–g menunjukkan bahwa semua partikel berbentuk dan berukuran bulat sempurna. Telah diketahui bahwa dengan adanya sejumlah besar SA, sejumlah oligomer silika yang sesuai dapat diperoleh, menyebabkan kondensasi dan enkapsulasi yang tepat dan karenanya pembentukan mikrokapsul yang terdefinisi dengan baik49. Dari hasil SEM, jelas bahwa SATEOS6 membentuk mikrokapsul yang sesuai dibandingkan dengan sejumlah kecil SA.
Hasil spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS) dari SA curah dan SA mikrokapsul disajikan pada Tabel 3. Seperti yang terlihat pada tabel ini, kandungan Si secara bertahap menurun dari SATEOS1 (12,34%) ke SATEOS6 (2,68%). Peningkatan SA. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa peningkatan jumlah SA menyebabkan penurunan pengendapan SiO2 pada permukaan SA. Tidak ada nilai yang konsisten untuk kandungan C dan O pada Tabel 3 karena analisis semi-kuantitatif EDS51. Kandungan Si dari SA mikrokapsul dikorelasikan dengan hasil FT-IR, XRD, dan XPS.
Perilaku peleburan dan pembekuan SA curah serta SA mikroenkapsulasi dengan cangkang SiO2 ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2. Keduanya ditunjukkan pada Gambar 10 dan 11, dan data termal ditunjukkan pada Tabel 4. Suhu peleburan dan pembekuan SA mikroenkapsulasi ditemukan berbeda. Seiring bertambahnya jumlah SA, suhu peleburan dan pembekuan meningkat dan mendekati nilai SA curah. Setelah mikroenkapsulasi SA, dinding silika meningkatkan suhu kristalisasi, dan dindingnya bertindak sebagai inti untuk mendorong heterogenitas. Oleh karena itu, seiring bertambahnya jumlah SA, suhu peleburan (Gambar 10) dan pembekuan (Gambar 11) juga secara bertahap meningkat49,51,64. Di antara semua sampel SA mikroenkapsulasi, SATEOS6 menunjukkan suhu peleburan dan pembekuan tertinggi, diikuti oleh SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2, dan SATEOS1.
SATEOS1 menunjukkan titik leleh terendah (68,97 °C) dan suhu pembekuan terendah (60,60 °C), yang disebabkan oleh ukuran partikel yang lebih kecil sehingga pergerakan partikel SA di dalam mikrokapsul sangat kecil dan cangkang SiO2 membentuk lapisan tebal sehingga Bahan Inti membatasi peregangan dan pergerakan49. Hipotesis ini terkait dengan hasil SEM, di mana SATEOS1 menunjukkan ukuran partikel yang lebih kecil (Gambar 9b), yang disebabkan oleh fakta bahwa molekul SA terkurung dalam area yang sangat kecil di dalam mikrokapsul. Perbedaan suhu leleh dan pembekuan massa utama, serta semua mikrokapsul SA dengan cangkang SiO2, berada dalam kisaran 6,10–8,37 °C. Hasil ini menunjukkan bahwa SA yang dienkapsulasi mikro dapat digunakan sebagai bahan penyimpanan energi potensial karena konduktivitas termal cangkang SiO2 yang baik 65.
Seperti yang terlihat pada Tabel 4, SATEOS6 memiliki entalpi tertinggi di antara semua SC yang dienkapsulasi mikro (Gbr. 9g) karena enkapsulasi yang tepat yang diamati oleh SEM. Tingkat pengemasan SA dapat dihitung menggunakan persamaan (1). (1) Dengan membandingkan data panas laten SA49 yang dienkapsulasi mikro.
Nilai R mewakili derajat enkapsulasi (%) SC yang dienkapsulasi mikro, ΔHMEPCM,m mewakili panas laten fusi SC yang dienkapsulasi mikro, dan ΔHPCM,m mewakili panas laten fusi SC. Selain itu, efisiensi pengemasan (%) dihitung sebagai parameter teknis penting lainnya, seperti yang ditunjukkan pada Persamaan (1). (2)49.
Nilai E mewakili efisiensi enkapsulasi (%) CA yang dienkapsulasi mikro, ΔHMEPCM,s mewakili panas laten pengerasan CA yang dienkapsulasi mikro, dan ΔHPCM,s mewakili panas laten pengerasan CA.
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4, derajat pengemasan dan efisiensi SATEOS1 masing-masing adalah 71,89% dan 67,68%, sedangkan derajat pengemasan dan efisiensi SATEOS6 masing-masing adalah 90,86% dan 86,68% (Tabel 4). Sampel SATEOS6 menunjukkan koefisien dan efisiensi enkapsulasi tertinggi di antara semua SA yang dienkapsulasi mikro, yang menunjukkan kapasitas termalnya yang tinggi. Oleh karena itu, transisi dari padat ke cair membutuhkan energi dalam jumlah besar. Selain itu, perbedaan suhu leleh dan pembekuan semua mikrokapsul SA dan SA curah selama proses pendinginan menunjukkan bahwa cangkang silika terkurung secara spasial selama sintesis mikrokapsul. Dengan demikian, hasil menunjukkan bahwa seiring peningkatan jumlah SC, tingkat dan efisiensi enkapsulasi secara bertahap meningkat (Tabel 4).
Kurva TGA dari SA curah dan SA mikrokapsul dengan cangkang SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 dan SATEOS6) ditunjukkan pada Gambar 12. Sifat stabilitas termal SA curah (SATEOS1, SATEOS3 dan SATEOS6) dibandingkan dengan sampel mikrokapsul. Jelas dari kurva TGA bahwa penurunan berat SA curah maupun SA mikrokapsul menunjukkan penurunan yang halus dan sangat sedikit dari 40°C hingga 190°C. Pada suhu ini, SC curah tidak mengalami dekomposisi termal, sedangkan SC mikrokapsul melepaskan air yang terserap bahkan setelah pengeringan pada 45 °C selama 24 jam. Hal ini mengakibatkan sedikit penurunan berat,49 tetapi di atas suhu ini material mulai terdegradasi. Pada kandungan SA yang lebih rendah (yaitu SATEOS1), kandungan air yang terserap lebih tinggi dan karenanya kehilangan massa hingga 190 °C lebih tinggi (sisipan pada Gambar 12). Segera setelah suhu naik di atas 190 °C, sampel mulai kehilangan massa karena proses dekomposisi. SA massal mulai terurai pada 190 °C dan hanya tersisa 4% pada 260 °C, sedangkan SATEOS1, SATEOS3, dan SATEOS6 masing-masing mempertahankan 50%, 20%, dan 12% pada suhu ini. Setelah 300 °C, kehilangan massa SA massal sekitar 97,60%, sedangkan kehilangan massa SATEOS1, SATEOS3, dan SATEOS6 masing-masing sekitar 54,20%, 82,40%, dan 90,30%. Dengan peningkatan kandungan SA, kandungan SiO2 menurun (Tabel 3), dan penipisan cangkang diamati pada SEM (Gambar 9). Dengan demikian, penurunan berat SA yang dienkapsulasi mikro lebih rendah dibandingkan dengan SA curah, yang dijelaskan oleh sifat-sifat menguntungkan dari cangkang SiO2, yang mendorong pembentukan lapisan silikat-karbon pada permukaan SA, sehingga mengisolasi inti SA dan memperlambat pelepasan produk volatil yang dihasilkan10. Lapisan arang ini membentuk penghalang pelindung fisik selama dekomposisi termal, membatasi transisi molekul yang mudah terbakar ke fase gas66,67. Selain itu, kita juga dapat melihat hasil penurunan berat yang signifikan: SATEOS1 menunjukkan nilai yang lebih rendah dibandingkan dengan SATEOS3, SATEOS6 dan SA. Hal ini karena jumlah SA dalam SATEOS1 lebih sedikit daripada dalam SATEOS3 dan SATEOS6, di mana cangkang SiO2 membentuk lapisan yang tebal. Sebaliknya, total penurunan berat SA curah mencapai 99,50% pada 415 °C. Namun, SATEOS1, SATEOS3, dan SATEOS6 menunjukkan penurunan berat masing-masing sebesar 62,50%, 85,50%, dan 93,76% pada suhu 415 °C. Hasil ini menunjukkan bahwa penambahan TEOS meningkatkan degradasi SA dengan membentuk lapisan SiO2 pada permukaan SA. Lapisan-lapisan ini dapat membentuk penghalang pelindung fisik, dan oleh karena itu peningkatan stabilitas termal CA yang dienkapsulasi mikro dapat diamati.
Hasil keandalan termal SA curah dan sampel mikroenkapsulasi terbaik (yaitu SATEOS 6) setelah 30 siklus pemanasan dan pendinginan DSC51,52 ditunjukkan pada Gambar 13. Dapat dilihat bahwa SA curah (Gambar 13a) tidak menunjukkan perbedaan suhu leleh, pembekuan, dan nilai entalpi, sedangkan SATEOS6 (Gambar 13b) tidak menunjukkan perbedaan suhu dan nilai entalpi bahkan setelah siklus pemanasan ke-30 dan proses pendinginan. SA curah menunjukkan titik leleh 72,10 °C, suhu pembekuan 64,69 °C, dan panas peleburan dan pembekuan setelah siklus pertama masing-masing adalah 201,0 J/g dan 194,10 J/g. Setelah siklus ke-30, titik leleh nilai-nilai ini menurun menjadi 71,24 °C, suhu pembekuan menurun menjadi 63,53 °C, dan nilai entalpi menurun sebesar 10%. Perubahan suhu leleh dan pembekuan, serta penurunan nilai entalpi, menunjukkan bahwa CA curah tidak dapat diandalkan untuk aplikasi non-mikroenkapsulasi. Namun, setelah mikroenkapsulasi yang tepat terjadi (SATEOS6), suhu leleh dan pembekuan serta nilai entalpi tidak berubah (Gambar 13b). Setelah dimikroenkapsulasi dengan cangkang SiO2, SA dapat digunakan sebagai material perubahan fasa dalam aplikasi termal, terutama dalam konstruksi, karena suhu leleh dan pembekuannya yang optimal dan entalpi yang stabil.
Kurva DSC yang diperoleh untuk sampel SA (a) dan SATEOS6 (b) pada siklus pemanasan dan pendinginan ke-1 dan ke-30.
Dalam penelitian ini, investigasi sistematis terhadap mikroenkapsulasi dilakukan dengan menggunakan SA sebagai bahan inti dan SiO2 sebagai bahan cangkang. TEOS digunakan sebagai prekursor untuk membentuk lapisan pendukung SiO2 dan lapisan pelindung pada permukaan SA. Setelah sintesis mikroenkapsulasi SA berhasil, hasil FT-IR, XRD, XPS, SEM, dan EDS menunjukkan adanya SiO2. Analisis SEM menunjukkan bahwa sampel SATEOS6 menunjukkan partikel bulat yang terdefinisi dengan baik yang dikelilingi oleh cangkang SiO2 pada permukaan SA. Namun, MEPCM dengan kandungan SA yang lebih rendah menunjukkan aglomerasi, yang mengurangi kinerja PCM. Analisis XPS menunjukkan adanya Si-O-Si dan Si-OH dalam sampel mikrokapsul, yang mengungkapkan adsorpsi SiO2 pada permukaan SA. Berdasarkan analisis kinerja termal, SATEOS6 menunjukkan kemampuan penyimpanan panas yang paling menjanjikan, dengan suhu leleh dan pembekuan masing-masing sebesar 70,37°C dan 64,27°C, serta panas laten leleh dan pembekuan masing-masing sebesar 182,53 J/g dan 160,12 J/g. Efisiensi pengemasan maksimum SATEOS6 adalah 86,68%. Analisis siklus termal TGA dan DSC mengkonfirmasi bahwa SATEOS6 masih memiliki stabilitas dan keandalan termal yang baik bahkan setelah 30 proses pemanasan dan pendinginan.
Yang T., Wang XY dan Li D. Analisis Kinerja Sistem Adsorpsi Komposit Padat-Gas Termokimia untuk Penyimpanan Energi Termal dan Peningkatan Efisiensinya. aplikasi. panas. teknik. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. dan Al-Hallaj, S. Tinjauan penyimpanan energi perubahan fasa: material dan aplikasi. Konverter energi. Manajer. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS dan Saini JS Kinerja perpindahan panas sistem penyimpanan energi termal menggunakan kapsul PCM: tinjauan. pembaruan. dukungan. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. dan Bruno, F. Tinjauan Material Penyimpanan dan Teknologi Peningkatan Kinerja Termal untuk Sistem Penyimpanan Termal Perubahan Fase Suhu Tinggi. Pembaruan. Dukungan. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM. Preparasi dan karakterisasi material perubahan fasa n-tetradekana energi termal yang dienkapsulasi nano. Jurnal Teknik Kimia. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. dan Li, M. Sintesis material komposit perubahan fasa stabil bentuk baru menggunakan aerogel grafena yang dimodifikasi untuk konversi dan penyimpanan energi surya. Sol. Material energi. Sol. Sel 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., dan Fang, G. Karakterisasi morfologi dan aplikasi material perubahan fasa dalam penyimpanan energi termal: tinjauan. pembaruan. dukungan. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).