北科大王戈團隊EnSM: 新型多功能定型復合相變材料

【引言】

相變材料(PCMs-Phase Change Materials)是指溫度不變的情況下而改變物質狀態并能提供潛熱的材料。轉變物理性質的過程稱為相變過程，這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。相變材料一旦在人類生活被廣泛應用，將成為節能環保的最佳綠色環保載體，在我國已經列為國家級研發利用序列。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。盡管相變材料在蓄熱/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，在保證優異的熱性能前提下，如何有效地開發前沿性的新型多功能相變復合材料以滿足特定的場合需求成為該領域研究的焦點。

【成果簡介】

近期，北京科技大學材料科學與工程學院王戈團隊開發出兩種新型多功能相變復合材料。其一，利用簡便的模板合成策略開發出一種新型的碳納米管束組裝成的柔性多級孔海綿基定型復合相變材料，實現了對過敏性鼻炎的高效熱療。其中，海綿載體的多級孔保證了相變材料的高效固載，復合相變材料的高值熱焓和低熱導率保證了長時間的熱療效果，此外設計的外層純碳納米管海綿還可以通過凈化攝入鼻腔的空氣質量進一步優化熱療效果。相關研究成果以“Carbon Nanotube Bundles Assembled Flexible Hierarchical Framework Based Phase Change Material Composites for Thermal Energy Harvesting and Thermotherapy”為題發表在Energy Storage Materials?(CiteScore：15.09)，文章第一作者為陳曉。

【圖文導讀】

圖一：碳納米管束組裝碳海綿示意圖及SEM/TEM圖

(a) 碳納米管海綿載體制備示意圖

(b-d) 碳納米管海綿載體的SEM圖

(e-g) 碳納米管海綿載體的TEM圖

圖二：碳納米管海綿基復合相變材料的熱性能及循環穩定性

(a-c) 碳納米管海綿基復合相變材料的潛熱

(d-e) 碳納米管海綿基復合相變材料的活化能

(f) 碳納米管海綿基復合相變材料的熱導率

(g-h) 碳納米管海綿基復合相變材料的熱循環性能

圖三：碳納米管海綿基復合相變材料的熱療性能

(a) 相變材料基熱療口罩的結構示意圖

(b) 相變材料基熱療口罩的熱療示意圖

(c) 相變材料基熱療口罩的熱療曲線圖

(d-e)相變材料基熱療口罩的空氣凈化性能

(f) 相變材料基熱療口罩的熱療紅外成像圖

其二，利用溶劑熱法開發出一種新型的Metal organic frameworks (MOFs)基定型復合相變材料，實現蓄/傳熱功能的同時還具有光致發光功能，其中Carbon quantum dot (CQD)作為光致發光活性客體，硬脂酸作為熱能存儲客體，Cr-MIL-101-NH₂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。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思路。相關研究成果以“Smart Integration of Carbon Quantum Dots in Metal-Organic Frameworks for Fluorescence-functionalized Phase Change Materials”為題發表在Energy Storage Materials?(CiteScore：15.09)，文章第一作者為陳曉。

【圖文導讀】

圖四：多功能復合相變材料制備示意圖及CQDs表征

(a) 多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

圖五：多功能復合相變材料的熱性能和光致發光性能

(a-b) 多功能復合相變材料的DSC

(c) 多功能復合相變材料的相變焓

(d-e) 多功能復合相變材料的循環穩定性測試

(f) 多功能復合相變材料的熒光壽命

(g-i) 多功能復合相變材料的PL光譜

【小結】

本團隊一直致力于研發前沿性的新型多功能相變復合材料以滿足特定的場合需求。近期，利用簡便的模板合成策略開發出一種新型的碳納米管束組裝成的柔性多級孔海綿基定型復合相變材料，實現了對過敏性鼻炎的高效熱療。利用溶劑熱法開發出一種新型的MOFs基定型復合相變材料，實現蓄/傳熱功能的同時還具有光致發光功能。這種多功能協同整合策略為開發先進的多功能定型復合相變材料提供了一個創新途徑。

文獻鏈接：?

1. Xiao Chen, Hongyi Gao, Guangtong Hai, Dandan Jia, Liwen Xing, Siyuan Chen, Piao Cheng, Mengyi Han, Wenjun Dong, Ge Wang, Carbon Nanotube Bundles Assembled Flexible Hierarchical Framework Based Phase Change Material Composites for Thermal Energy Harvesting and Thermotherapy, Energy Storage Materials, DOI: 10.1016/j.ensm.2019.12.029
2. 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 18 (2019) 349–355.

【作者簡介】

陳曉，師資博士后，主要研究方向是相變儲能材料。目前以第一作者身份在Nano Energy 、Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal 等國際權威期刊上發表SCI論文8篇，全部為中科院一區TOP期刊， 影響因子大于15的論文4篇，其中一篇入選Web of Science前1%高被引和熱點論文，申請國家發明專利6項。博士期間曾獲北京市普通高校優秀畢業生、北京科技大學十佳學術之星、優秀博士畢業論文、博士國家獎學金、研究生學術論壇優秀論文等榮譽。目前，正在主持國家自然科學基金青年基金、中國博士后面上基金和中央高校基本科研業務費專項資金項目。

【團隊近期研究成果】

1. Xiao Chen, Hongyi Gao, Guangtong Hai, Dandan Jia, Liwen Xing, Siyuan Chen, Piao Cheng, Mengyi Han, Wenjun Dong, Ge Wang. Carbon Nanotube Bundles Assembled Flexible Hierarchical Framework Based Phase Change Material Composites for Thermal Energy Harvesting and Thermotherapy, Energy Storage Materials, DOI: 10.1016/j.ensm.2019.12.029.
2. 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 18 (2019) 349–355.
3. Xiao Chen, Hongyi Gao, Liwen Xing, Wenjun Dong, Ang Li, Piao Cheng, Panpan Liu, Ge Wang. Nanoconfinement effects of N-doped hierarchical carbon on thermal behaviors of organic phase change materials. Energy Storage Materials 18 (2019) 280–288.
4. Xiao Chen, Hongyi Gao, Mu Yang, Wenjun Dong, Xiubing Huang, Ang Li, Cheng Dong, Ge Wang. Highly graphitized 3D network carbon for shape-stabilized composite PCMs with superior thermal energy harvesting. Nano Energy 49 (2018) 86–94.
5. Hongyi Gao, Jingjing Wang, Xiao Chen, Ge Wang, Xiubing Huang, Ang Li, Wenjun Dong. Nanoconfinement effects on thermal properties of nanoporous shapestabilized composite PCMs: A review. Nano Energy 53 (2018) 769–797.

本文由北科大王戈團隊供稿。

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