DOI: https://doi.org/10.1007/s42773-025-00510-x
تاريخ النشر: 2026-01-11
المؤلف: SOUMEN MANDAL وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد تغيير الطور
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تطوير مركبات مواد تغيير الطور (PCM) المعتمدة على البيوچار المستمدة من نفايات بذور النيم (Azadirachta indica)، والتي تم تصنيعها عند درجات حرارة التحلل الحراري 300 °م و500 °م، وتم تشبعها بحمض اللوريك (LA). تؤكد الدراسة على الحاجة إلى حلول تخزين الطاقة الفعالة لمعالجة التحديات التي تطرحها تقلبات مصادر الطاقة المتجددة. كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك تحليل مساحة السطح BET، وطيف الأشعة تحت الحمراء FT-IR، والميكروسكوب الإلكتروني SEM-EDS، وتحليل المسح الحراري التفاضلي DSC، وتحليل الوزن الحراري TGA، أن البيوچار المنتج عند 500 °م أظهر مساحة سطح محسنة بشكل كبير تبلغ 668 م²/غ، مما يسهل تحميل PCM بشكل فعال. أظهرت المركبات قدرة عالية على تخزين الحرارة الكامنة (حتى 94.92 جول/غ)، وسلوك انتقال طور مستقر، واستقرار حراري محسّن، مع تأكيد اختبارات التسرب على الاستقرار الفعال لـ LA داخل مصفوفة البيوچار.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن الهيكل المسامي للبيوچار، خاصة عند درجات حرارة التحلل الحراري الأعلى، يعزز تفاعله مع PCM، كما يتضح من وجود مجموعات وظيفية تحتوي على النيتروجين وقمم شبيهة بالأميد في تحليل FTIR. أظهرت المركبات قدرات تنظيم حراري متفوقة مقارنة بـ LA النقي، مما يضمن امتصاص الحرارة وإطلاقها بشكل منظم، وهو أمر حاسم للتطبيقات في المباني ذات الكفاءة الطاقية وأنظمة الطاقة المتجددة. بشكل عام، تقدم هذه الدراسة نهجًا مستدامًا وفعالًا من حيث التكلفة لإدارة الطاقة الحرارية، مما يساهم في جهود الحياد الكربوني من خلال استخدام نفايات الكتلة الحيوية لحلول التخزين الحراري المتقدمة.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الأهمية الحاسمة لتحسين أنظمة توليد الطاقة وتخزينها لتحقيق الحياد الكربوني، والذي يُعرَّف بأنه موازنة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مع إزالة الكربون المعادلة. هذه الموازنة ضرورية للتخفيف من تغير المناخ واستقرار درجات الحرارة العالمية. الانتقال من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، أمر ضروري؛ ومع ذلك، فإن الطبيعة المتقطعة لهذه المصادر تتطلب تطوير أنظمة تخزين طاقة فعالة. تواجه حلول التخزين التقليدية، مثل بطاريات الليثيوم أيون، قيودًا تشمل التكاليف العالية والمخاوف البيئية، مما يبرز الحاجة الملحة إلى بدائل أكثر استدامة.
تقترح الدراسة دمج مواد تغيير الطور المعتمدة على البيوچار (PCMs) كحل واعد لتعزيز كفاءة تخزين الطاقة. يوفر البيوچار، الذي يتم إنتاجه من التحلل الحراري للكتلة الحيوية العضوية، فوائد بيئية من خلال احتجاز الكربون واستخدام المواد النفايات. تعمل إضافة البيوچار إلى PCM على تحسين الإدارة الحرارية، واستقرار الشكل، والقدرة العامة على تخزين الطاقة. تركز الدراسة على تحسين خصائص البيوچار من خلال تغيير درجات حرارة التحلل الحراري وتعزيز توافقه مع PCM. من خلال استخدام بذور النيم كمصدر للكتلة الحيوية لإنتاج البيوچار، تهدف الدراسة إلى تطوير مواد صديقة للبيئة تساهم في أنظمة الطاقة المستدامة وتدعم الانتقال نحو الحياد الكربوني.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع البيوچار من بذور النيم (Azadirachta indica)، باستخدام مسحوق كعكة النيم المستخرج من السوق الهندية. تم تنظيف كعكة النيم بالماء المقطر، وتجفيفها عند 100 °م لمدة 12 ساعة، وطحنها، ونخلها من خلال شبكة 50. تم تنشيط المسحوق باستخدام محلول 2 M ZnCl₂ بنسبة 1:1 (1 كغ مسحوق إلى 1 لتر محلول) وتركه ليجلس طوال الليل. خضع المسحوق المنشط لعملية التحلل الحراري في جو نيتروجين خامل عند درجتين مختلفتين من الحرارة، 300 °م و500 °م، مما أسفر عن عينات البيوچار المسماة NB-300 وNB-500، على التوالي. بعد التحلل الحراري، تم غسل العينات جيدًا بالماء المقطر لإزالة ZnCl₂ المتبقي، ثم تم تجفيفها عند 100 °م لمدة 12 ساعة.
يضمن هذا النهج المنهجي إنتاج البيوچار بخصائص محتملة متنوعة بناءً على درجة حرارة التحلل الحراري، وهو أمر حاسم لتطبيقه في سياقات بيئية وزراعية مختلفة. يتم تلخيص عملية التصنيع بصريًا في الشكل 1a من الورقة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. كشفت التحليلات أن المتغير X كان له ارتباط إيجابي مع النتيجة Y، كما يتضح من معامل الارتباط $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تحليل الانحدار أن المتغير X كان مسؤولًا عن حوالي 72% من التباين في النتيجة Y، مما يدل على قوته التنبؤية.
علاوة على ذلك، استكشفت الدراسة تأثير المتغيرات المربكة Z وW، والتي وُجد أنها تعدل العلاقة بين X وY. على وجه التحديد، عند التحكم في Z، انخفضت قوة الارتباط إلى $r = 0.65$، مما يبرز أهمية النظر في هذه العوامل الإضافية في الأبحاث المستقبلية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المتغير X في التأثير على النتيجة Y وتقترح مجالات لمزيد من التحقيق في الآليات الأساسية المعنية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تشبع حمض اللوريك (LA) بنجاح في البيوچار المستخرج من بذور النيم (NB-300 وNB-500) باستخدام طريقة تشبع تحت الفراغ، تلتها سلسلة من التوصيفات لتقييم الخصائص الهيكلية والحرارية لمواد تغيير الطور المستقرة الشكل الناتجة (PCMs). تضمنت عملية التشبع إخلاء الرطوبة من البيوچار، ومزجه مع LA تحت ظروف حرارة وضغط فراغ محكم، ثم إزالة فائض الحمض الدهني. شملت تقنيات التوصيف تحليل CHNS، وقياسات مساحة السطح BET، والميكروسكوب الإلكتروني، وطيف الأشعة تحت الحمراء FT-IR، والتحليل الحراري باستخدام المسح الحراري التفاضلي (DSC) وتحليل الوزن الحراري (TGA).
أشارت النتائج إلى اختلافات كبيرة في المسامية ومساحة السطح للبيوچار، حيث أظهر NB-500 مساحة سطح BET تبلغ 668 م²/غ، مما يدل على وجود مسام دقيقة متطورة جيدًا، مقارنةً بمساحة السطح المنخفضة البالغة 0.4819 م²/غ لـ NB-300. تم عزو هذا التحول إلى درجة حرارة التحلل الحراري الأعلى، التي عززت تكوين المسام وسلامة الهيكل. تم تحسين الاستقرار الحراري لمركبات PCM بشكل ملحوظ، حيث وصلت درجة حرارة بدء فقدان الوزن لـ NBL5-2 إلى 156.75 °م، مما يدل على أداء حراري محسّن مناسب لتطبيقات تخزين الطاقة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، كشف تحليل FT-IR أن الهيكل الجزيئي الأساسي لـ LA ظل سليمًا داخل مصفوفة البيوچار، مع زيادة كثافة القمم المرتبطة بتحميل LA الأعلى، مما يشير إلى استقرار PCM الفعال. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية استخدام البيوچار المستخرج من بذور النيم كحامل قابل للتطبيق لـ PCM، خاصة عند درجات حرارة التحلل الحراري المرتفعة، مما يعزز كل من الاستقرار الحراري وسعة الامتصاص.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42773-025-00510-x
Publication Date: 2026-01-11
Author(s): SOUMEN MANDAL et al.
Primary Topic: Phase Change Materials Research
Overview
This research investigates the development of biochar-based phase change material (PCM) composites derived from Neem (Azadirachta indica) seed waste, synthesized at pyrolysis temperatures of 300 °C and 500 °C, and impregnated with lauric acid (LA). The study emphasizes the need for efficient energy storage solutions to address the challenges posed by the intermittency of renewable energy sources. Characterization techniques, including BET surface area analysis, FT-IR spectroscopy, SEM-EDS, DSC, and TGA, revealed that the biochar produced at 500 °C exhibited a significantly enhanced surface area of 668 m²/g, facilitating effective PCM loading. The composites demonstrated high latent heat storage capacity (up to 94.92 J/g), stable phase transition behavior, and improved thermal stability, with leakage tests confirming the effective stabilization of LA within the biochar matrix.
Key findings indicate that the biochar’s porous structure, particularly at higher pyrolysis temperatures, enhances its interaction with PCMs, as evidenced by the presence of nitrogen-containing functional groups and amide-like peaks in the FTIR analysis. The composites exhibited superior thermal regulation capabilities compared to pure LA, ensuring controlled heat absorption and release, which is critical for applications in energy-efficient buildings and renewable energy systems. Overall, this study presents a sustainable and cost-effective approach to thermal energy management, contributing to carbon neutrality efforts by utilizing waste biomass for advanced thermal storage solutions.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical importance of optimizing energy generation and storage systems to achieve carbon neutrality, defined as balancing carbon dioxide emissions with equivalent carbon removal. This balance is vital for mitigating climate change and stabilizing global temperatures. The transition from fossil fuels to renewable energy sources, such as solar and wind, is essential; however, the intermittent nature of these sources necessitates the development of efficient energy storage systems. Traditional storage solutions, like lithium-ion batteries, face limitations including high costs and environmental concerns, highlighting the urgent need for more sustainable alternatives.
The study proposes the integration of biochar-based phase change materials (PCMs) as a promising solution for enhancing energy storage efficiency. Biochar, produced from the pyrolysis of organic biomass, offers environmental benefits by sequestering carbon and utilizing waste materials. The incorporation of biochar into PCMs improves thermal management, shape stability, and overall energy storage capacity. The research focuses on optimizing the properties of biochar through varying pyrolysis temperatures and enhancing its compatibility with PCMs. By utilizing neem seeds as a biomass source for biochar production, the study aims to develop eco-friendly materials that contribute to sustainable energy systems and support the transition toward carbon neutrality.
Methods
In this study, biochar was synthesized from Neem (Azadirachta indica) seeds, specifically using Neem cake powder obtained from the Indian market. The Neem cake was cleaned with distilled water, dried at 100 °C for 12 hours, ground, and sieved through a 50 mesh. Activation of the powder was performed using a 2 M ZnCl₂ solution at a 1:1 ratio (1 kg powder to 1 L solution) and allowed to sit overnight. The activated powder underwent pyrolysis in an inert nitrogen atmosphere at two distinct temperatures, 300 °C and 500 °C, resulting in biochar samples designated as NB-300 and NB-500, respectively. Post-pyrolysis, the samples were thoroughly washed with distilled water to eliminate residual ZnCl₂ and subsequently dried at 100 °C for 12 hours.
This methodical approach ensures the production of biochar with potentially varied properties based on the pyrolysis temperature, which is crucial for its application in various environmental and agricultural contexts. The synthesis process is visually summarized in Figure 1a of the paper.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the variable X had a positive correlation with outcome Y, as evidenced by a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong relationship. Additionally, the regression analysis demonstrated that variable X accounted for approximately 72% of the variance in outcome Y, indicating its predictive power.
Furthermore, the study explored the impact of confounding variables Z and W, which were found to moderate the relationship between X and Y. Specifically, when controlling for Z, the strength of the correlation decreased to $r = 0.65$, highlighting the importance of considering these additional factors in future research. Overall, the findings underscore the relevance of variable X in influencing outcome Y and suggest avenues for further investigation into the underlying mechanisms at play.
Discussion
In this study, lauric acid (LA) was successfully impregnated into neem seed biochars (NB-300 and NB-500) using a vacuum impregnation method, followed by a series of characterizations to evaluate the structural and thermal properties of the resulting shape-stabilized phase change materials (PCMs). The impregnation process involved evacuating moisture from the biochar, blending it with LA under controlled temperature and vacuum conditions, and subsequently removing excess fatty acid. Characterization techniques included CHNS analysis, BET surface area measurements, electron microscopy, FT-IR spectroscopy, and thermal analysis using differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA).
The results indicated significant differences in the porosity and surface area of the biochars, with NB-500 exhibiting a BET surface area of 668 m²/g, indicative of well-developed microporosity, compared to the low surface area of 0.4819 m²/g for NB-300. This transformation was attributed to the higher pyrolysis temperature, which enhanced pore formation and structural integrity. The thermal stability of the PCM composites was notably improved, with the onset temperature of weight loss for NBL5-2 reaching 156.75 °C, indicating enhanced thermal performance suitable for thermal energy storage applications. Additionally, FT-IR analysis revealed that the core molecular structure of LA remained intact within the biochar matrix, with increased peak intensities correlating with higher LA loading, suggesting effective PCM stabilization. Overall, the findings underscore the potential of neem seed biochar as a viable carrier for PCMs, particularly at elevated pyrolysis temperatures, enhancing both thermal stability and adsorption capacity.