北科大王戈&高鴻毅Energy Storage Materials: 光熱雙功能MOF基定型復合相變材料

【引言】

相變材料（Phase Change Materials，PCMs）可以利用材料的相變過程，吸收并將環境的熱能存儲起來，并在需要時將熱能釋放出來，可以有效地解決時空熱能供給和需求之間不平衡的矛盾。目前，傳統的相變材料已在建筑節能、工業余熱利用、太陽能利用等諸多領域有著廣泛的應用潛力。但是，純PCMs的泄漏和低熱導率問題極大地限制了相變材料的吸放熱效率。目前，許多報道通過制備定型復合相變材料解決泄露問題；通過填充高導熱的添加物提升熱導率，比如：金屬、石墨烯、碳納米管、碳纖維等等，從而有效地整合了高效的蓄熱/傳熱性能。雖然相變材料在蓄熱/傳熱方面已經取得了很大的進展，但是單一的熱性能仍然無法滿足相變材料日益增長的多功能需求。因此，在確保良好的熱性能前提下，如何有效地開發相變材料更多的前沿性新功能以滿足特定的場合需求成為相變材料領域研究的焦點。

【成果簡介】

近日，北京科技大學材料科學與工程學院王戈教授和高鴻毅講師（共同通訊作者）團隊利用一種簡便的合成策略開發出一種新型的Metal organic framework (MOF)基熒光功能化的定型復合相變材料，其中Carbon quantum dot (CQD)作為優異的熒光活性客體，硬脂酸作為優異的熱能存儲客體，Cr-MIL-101-NH₂作為兼容性良好的多孔載體主體。這種獨特的結構有效地解決了傳統的熒光猝滅現象，MOF和CQD雙重優勢的協同整合既保證了復合相變材料的優異熱特性(高能量存儲密度，熱穩定性和優異的定型能力)，又進一步激發出具有優異顏色穩定性的高強度紅綠藍熒光，從而滿足特定裝置的特殊需求(例如LED)。MOF基熒光功能化的定型復合相變材料不僅可以激發紅綠藍熒光，而且可以通過硬脂酸的相變行為吸收LED運行期間散發的熱量，從而延長LED的使用壽命。這種不同功能客體分子的協同整合策略為開發先進的多功能復合相變材料提供了一個創新平臺。相關研究成果近期以“Smart Integration of Carbon Quantum Dots in Metal-Organic Frameworks for Fluorescence-functionalized Phase Change Materials”為題目發表在國際頂級能源期刊Energy Storage Materials?(影響因子：?~14)，文章第一作者為北京科技大學材料科學與工程學院2015級在讀博士生陳曉。

【圖文導讀】

圖一：熒光功能復合相變材料制備示意圖及CQDs表征

(a) 熒光功能復合相變材料制備示意圖

(b) CQDs的熒光圖像

(c-d) CQDs的TEM及粒徑分布圖

(e) CQDs的UV-Vis和PL圖譜

圖二：Cr-MIL-101-NH₂/CQD 復合載體材料的結構表征

(a-c) Cr-MIL-101-NH₂/CQD 復合載體材料的SEM、孔徑分布及氮氣吸脫附曲線

(d-f) Cr-MIL-101-NH₂/CQD 復合載體材料的XPS

圖三：熒光功能復合相變材料的熱性能和光性能

(a-b) 熒光功能復合相變材料的DSC

(c) 熒光功能復合相變材料的相變焓

(d-e) 熒光功能復合相變材料的循環穩定性測試

(f) 熒光功能復合相變材料的熒光壽命

(g-i) 熒光功能復合相變材料的PL光譜

圖四：熒光功能復合相變材料的光性能和控溫性能

(a-c)熒光功能復合相變材料的熒光圖像?

(d) 熒光功能復合相變材料封裝的LED

(e) 熒光功能復合相變材料的控溫曲線圖

(f) 熒光功能復合相變材料的熒光發射機理圖

【小結】

本文利用一種簡便的合成策略開發出一種新型的MOF基熒光功能化的定型復合相變材料，其中CQD作為優異的熒光活性客體，硬脂酸作為優異的熱能存儲客體，MOF作為兼容性良好的多孔載體主體。MOF和CQD雙重優勢的協同整合既保證了復合相變材料的優異熱特性(高能量存儲密度，熱穩定性和優異的定型能力)，又進一步激發出具有優異顏色穩定性的高強度紅綠藍熒光，從而滿足特定裝置的特殊需求。這種不同功能客體分子的協同整合策略為開發先進的多功能復合相變材料提供了一個創新平臺。

文獻鏈接：?Xiao Chen, Hongyi Gao^*, Mu Yang, Liwen Xing, Wenjun Dong, Ang Li, Haiyan Zheng, Ge Wang^*,?Smart Integration of Carbon Quantum Dots in Metal-Organic Frameworks for Fluorescence-functionalized Phase Change Materials.(Energy Storage Materials,2018. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.08.015)

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