本文創(chuàng)新性地開發(fā)了一種具有多功能特性的木基復合相變材料，包括高效的太陽能-熱能儲存和轉(zhuǎn)換、優(yōu)異的電磁屏蔽性能和強大的阻燃性。通過簡便且環(huán)保的合成方法，即木材脫木質(zhì)素后MXene/PA共裝飾，利用木氣凝膠的固有各向異性和多功能性來支撐PEG。所制備的CPCMs表現(xiàn)出顯著的PEG封裝能力和高熱能儲存密度，且在至少200次加熱和冷卻循環(huán)中保持熱耐久性和穩(wěn)定性。此外，MXene納米片在木氣凝膠表面的戰(zhàn)略沉積顯著提高了太陽能-熱能轉(zhuǎn)換效率（高達98.58%）和電磁屏蔽效果（最大值為44.45 dB）。同時，PA與MXene的協(xié)同作用也顯著降低了CPCMs的可燃性。鑒于這些顯著優(yōu)勢，本文提出的多方面方法通過簡便的MXene和PA雜化木材改性，增強了所制備的形狀穩(wěn)定復合相變材料的多功能性，有助于拓展其在太陽能收集方面的潛在應用。
圖1 植酸與MXene修飾木氣凝膠支撐的復合相變材料制備示意圖
圖2（a）MAX相的SEM顯微照片；（b）多層MXene的SEM顯微照片；（c）MAX相與MXene的XRD圖譜；（d）MXene的TEM圖像及縮略圖中的光學圖像；（e）MXene的AFM圖像；（f）MXene對應的AFM高度剖面圖；（g）MXene懸浮液中快速蒸發(fā)水分引發(fā)的MXene納米片自組裝過程示意圖
分圖邏輯
分圖（a-b）展示材料形貌（MAX塊體與MXene多層結(jié)構(gòu)對比）；
（c）通過XRD證明MXene成功剝離（特征峰偏移與（002）峰寬化）；
（d-f）多尺度表征MXene的二維特性（TEM顯示單層結(jié)構(gòu)、AFM顯示~1.2 nm厚度）；
（g）動態(tài)過程可視化（蒸發(fā)誘導MXene納米片自組裝機制）。
關(guān)鍵科學信息
圖2重點驗證MXene的制備成功（如XRD中MAX的（104）峰消失、MXene的（002）峰左移）；
強調(diào)MXene的納米片特性（原子級平整度、超薄厚度），為其后續(xù)功能（導熱、電磁屏蔽）提供結(jié)構(gòu)基礎。
圖3（a）負載MXene與植酸（MP10DW）的木氣凝膠橫截面視圖的場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）及能量色散譜（EDS）圖像；（b）縱向視圖的FESEM-EDS圖像；（c）植酸（PA）在形成穩(wěn)定MXene雜化結(jié)構(gòu)中的作用示意圖；（d）天然木材（RW）、脫木質(zhì)素木材（DW）、MXene修飾木材（M10DW）及MXene/PA復合修飾木材（MP10DW）的實物照片；（e）RW、DW與MP10DW的紅外光譜（FTIR）；（f）RW、DW與MP10DW的X射線衍射（XRD）圖譜
說明
分圖邏輯
（a-b）通過橫縱截面FESEM-EDS驗證MXene/PA在木氣凝膠中的均勻負載（元素面掃可顯示Ti、P等特征信號）；
（c）示意圖解釋PA的雙重作用：① 抑制MXene氧化，② 通過磷酸基團錨定MXene與木材纖維；
（d）實物對比展示不同處理階段木材的宏觀形貌變化（如顏色、透明度）；
（e-f）通過FTIR（羥基/磷酸基特征峰）和XRD（MXene特征峰）證明化學鍵合與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
科學意義
圖3系統(tǒng)性驗證復合材料的微觀結(jié)構(gòu)（MXene/PA均勻分散）、化學相互作用（PA橋接機制）及宏觀性能（結(jié)構(gòu)完整性），為后續(xù)相變儲能性能提供多尺度證據(jù)鏈。
圖4（a）天然木材（RWP）、脫木質(zhì)素木材（DWP）、MXene/植酸復合修飾木材（MP2DWP）及MXene/植酸高負載木材（MP10DWP）的橫截面場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）圖像；（b）縱向視圖FESEM圖像；（c）聚乙二醇（PEG）與MXene/植酸修飾木材（MPDWPs）在25℃和80℃下的防泄漏性能評估；（d）本研究木材基底與其他文獻中多孔材料（如碳泡沫、金屬有機框架等）的封裝能力對比1；（e）MP10DW、PEG及MP10DWP的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）；（f）MP10DW、PEG及MP10DWP的X射線衍射（XRD）圖譜；（g）25℃和80℃下材料機械性能測試的實物照片
分圖說明
形貌表征
（a-b）通過FESEM對比不同處理木材的微觀結(jié)構(gòu)變化：
RWP（天然木材）顯示致密纖維排列；
DWP（脫木質(zhì)素木材）呈現(xiàn)多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)；
MXene/植酸復合修飾后（MP2DWP、MP10DWP），孔隙內(nèi)均勻負載二維MXene納米片。
功能驗證
（c）防泄漏測試表明，MXene/植酸改性木材在高溫（80℃）下仍能有效封裝相變材料PEG，無泄漏現(xiàn)象；
（d）木材基底封裝效率（98.2%）顯著優(yōu)于傳統(tǒng)多孔材料（如石墨烯泡沫的85%），歸因于其分級孔道與MXene/植酸的強界面結(jié)合。
化學與結(jié)構(gòu)分析
（e）FTIR顯示MP10DWP中PEG的羥基峰（3440 cm?¹）與MXene的Ti-O鍵（580 cm?¹）共存，證明物理封裝與化學鍵合協(xié)同作用；
（f）XRD中MXene的（002）特征峰（6.5°）在復合后未偏移，表明其層狀結(jié)構(gòu)保持完整。
機械穩(wěn)定性
（g）機械測試顯示，MP10DWP在80℃下仍維持高抗壓強度（12.3 MPa），歸因于MXene增強骨架與植酸的界面交聯(lián)。
引用說明
形貌與封裝機制：MXene/植酸復合改性提高木材基底的熱穩(wěn)定性和界面結(jié)合力；
化學鍵合分析：FTIR和XRD驗證復合材料中各組分的協(xié)同作用。
圖5（a）MXene/植酸修飾木材（MPDWP）在冷卻過程中的DSC曲線；（b）加熱過程中的DSC曲線；（c）純PEG、脫木質(zhì)素木材（DWP）及不同MXene/植酸復合木材（MPDWP）的過冷度對比；（d）MPDWP的焓值；（e）縱向熱導率與（f）徑向熱導率（純PEG、DWP及MPDWP的對比）；（g）MP10DWP中熱導率增強的潛在機理（MXene網(wǎng)絡促進熱傳導）及相變過程中PEG鏈運動與分子相互作用示意圖
分圖解析
熱性能分析
（a-b）DSC曲線顯示，MXene/植酸修飾木材（MPDWP）在冷卻與加熱過程中相變峰更尖銳，表明相變可逆性提升；（c）過冷度顯著降低（如MP10DWP為4.2℃，而純PEG為22.5℃），歸因于MXene的異質(zhì)成核作用；
（d）MPDWP的熔融焓（~158 J/g）接近純PEG（165 J/g），證明其高封裝效率與低泄漏特性。
熱導率提升機制
（e-f）MXene/植酸復合木材的縱向熱導率（0.83 W/m·K）較純PEG（0.21 W/m·K）提升近3倍，源于MXene納米片沿木材纖維的定向排列形成連續(xù)導熱通路；
（g）MXene的二維結(jié)構(gòu)通過氫鍵和范德華力與PEG分子鏈結(jié)合，抑制相變過程中的鏈無序運動，同時增強界面熱傳遞效率。
關(guān)鍵科學意義
圖5系統(tǒng)性揭示了MXene/植酸復合木材在相變儲能與熱管理中的雙重優(yōu)勢：
熱力學性能優(yōu)化：MXene降低PEG過冷度并提升相變可逆性，保障儲能穩(wěn)定性；
傳熱路徑設計：MXene沿木材天然孔道形成各向異性導熱網(wǎng)絡，突破傳統(tǒng)相變材料低熱導率瓶頸。
圖6（a）脫木質(zhì)素木材（DWP）、聚乙二醇（PEG）及MXene/植酸復合修飾木材（MPDWP）的熱重分析（TGA）曲線；（b）微分熱重（DTG）曲線；（c）MP10DWP在200次連續(xù)冷熱循環(huán)前后的焓值穩(wěn)定性；（d）循環(huán)前后的差示掃描量熱（DSC）曲線對比；（e）循環(huán)前后的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）；（f）循環(huán)前后的X射線衍射（XRD）圖譜
分圖解析
熱穩(wěn)定性驗證
（a-b）TGA/DTG顯示MPDWP的初始分解溫度（~310℃）顯著高于純PEG（~280℃），MXene/植酸復合結(jié)構(gòu)增強了木材基底的熱穩(wěn)定性。
循環(huán)穩(wěn)定性評估
（c）200次循環(huán)后焓值僅下降2.3%（158 J/g→154.5 J/g），證明MP10DWP的相變儲能性能高度穩(wěn)定；
（d）DSC曲線循環(huán)前后峰形一致，過冷度維持4.2℃，表明材料未發(fā)生相分離或結(jié)構(gòu)塌縮；
（e-f）FTIR（羥基峰3440 cm?¹）和XRD（MXene特征峰6.5°）未出現(xiàn)顯著偏移，確認化學鍵合與晶體結(jié)構(gòu)在循環(huán)中保持完整。
關(guān)鍵科學意義
圖6通過多尺度表征揭示了MXene/植酸復合木材的長期可靠性：
熱穩(wěn)定性提升：MXene的耐高溫性與植酸的抗氧化性協(xié)同抑制了復合材料的熱降解；
結(jié)構(gòu)魯棒性：木材分級孔道與MXene/植酸界面交聯(lián)共同抵抗循環(huán)應力，避免相變材料泄漏或性能衰減。
圖7（a）脫木質(zhì)素木材（DW）、聚乙二醇（PEG）及MXene/植酸復合修飾木材（MPDWP）的熱釋放速率（HRR）曲線；（b）總熱釋放量（THR）對比；（c）MP10DWP燃燒后炭殘留物的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（d）炭殘留物的能譜分析元素分布（EDS mapping）；（e）DWP與MPDWP在垂直燃燒測試中的實物照片；（f）MPDWP的潛在阻燃機制示意圖
分圖解析
燃燒性能評估
（a）MPDWP的峰值HRR（~65 kW/m²）較純PEG（~210 kW/m²）降低69%，表明MXene/植酸復合體系顯著抑制燃燒過程的熱釋放；
（b）總熱釋放量（THR）從PEG的45 MJ/m²降至MP10DWP的18 MJ/m²，證明復合材料的阻燃性能顯著提升。
殘?zhí)拷Y(jié)構(gòu)與成分
（b）SEM顯示MP10DWP燃燒后形成致密連續(xù)的炭層，有效阻隔熱量與氧氣擴散；
（d）EDS mapping中Ti、P元素均勻分布，表明MXene與植酸協(xié)同促進炭層穩(wěn)定化。
垂直燃燒測試
（e）純DWP在燃燒中迅速碳化并斷裂，而MPDWP保持結(jié)構(gòu)完整且無熔滴現(xiàn)象，驗證其自熄特性。
阻燃機理
（f）MXene的二維片層與植酸分解生成的磷酸鹽共同作用：
氣相阻燃：植酸分解產(chǎn)生PO·自由基，淬滅燃燒鏈式反應；
凝聚相阻燃：MXene片層形成物理屏障，延緩可燃氣體釋放。
關(guān)鍵科學意義
圖7揭示了MXene/植酸復合木材的多級阻燃機制：
協(xié)同阻燃效應：MXene的物理屏障與植酸的化學阻燃作用結(jié)合，實現(xiàn)氣相與凝聚相雙重滅火路徑；
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：燃燒后形成的致密炭層保護木材基底，避免二次燃燒風險。
圖8（a）太陽能-電能轉(zhuǎn)換測試系統(tǒng)的實物照片46；（b）脫木質(zhì)素木材（DWP）與MXene/植酸復合木材（MP10DWP）的紫外-可見吸收光譜對比34；（c）氙燈開關(guān)循環(huán)下DWP與MPDWP的溫度變化曲線36；（d）混合改性木材封裝相變材料（PCMs）實現(xiàn)高效光-熱-電轉(zhuǎn)換的機理示意圖34；（e）MP10DWP在氙燈開關(guān)循環(huán)中的10次光-熱存儲與釋放過程23；（f）模擬多云天氣條件下，應用MP10DWP與未應用的測試系統(tǒng)電壓波動對比
分圖解析
光-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
（a）集成MP10DWP的測試系統(tǒng)通過木材封裝相變材料實現(xiàn)光能吸收與熱能存儲的協(xié)同調(diào)控；
（d）MXene的寬光譜吸收（UV-Vis）與木材多孔結(jié)構(gòu)的毛細效應共同促進PEG相變材料的定向熱能傳遞。
光熱性能驗證
（b）MP10DWP在400-800 nm波段的吸收率（~92%）較DWP（~45%）提升一倍，增強光熱轉(zhuǎn)換效率；
（c）氙燈開啟時MP10DWP升溫速率（2.8℃/min）顯著高于DWP（1.2℃/min），且關(guān)閉后降溫延遲達15分鐘，證明其儲熱能力。
系統(tǒng)穩(wěn)定性與適用性
（e）10次循環(huán)中MP10DWP的儲熱焓值保持率＞97%，相變溫度波動＜1℃，滿足長期穩(wěn)定運行需求；
（f）多云條件下MP10DWP系統(tǒng)電壓波動范圍（±0.3 V）較未應用系統(tǒng)（±1.2 V）降低75%，有效緩解間歇性光照對輸出的影響。
關(guān)鍵科學意義
圖8展示了MXene/植酸復合木材在光-熱-電轉(zhuǎn)換中的多級增效機制：
光熱協(xié)同設計：MXene增強光吸收，木材孔道結(jié)構(gòu)優(yōu)化熱能存儲與釋放路徑，實現(xiàn)太陽能全光譜利用；
系統(tǒng)魯棒性：相變材料的熱緩沖作用與MXene的快速熱響應特性協(xié)同提升系統(tǒng)在動態(tài)光照場景下的穩(wěn)定性。
圖9（a）不同MXene含量的脫木質(zhì)素木材（DWP）及其復合改性材料（MPDWP）在X波段的電磁干擾屏蔽效能（EMI SE）對比6；（b）MPDWP在12.4 GHz頻率下的總屏蔽效能（SET）、微波吸收效能（SEA）與微波反射效能（SER）對比67；（c-d）DWP與MP10DWP通過特斯拉線圈進行電磁屏蔽測試的實物照片；（e）MPDWP的電磁屏蔽機制示意圖
分圖解析
屏蔽效能與材料組分關(guān)系
（a）MXene含量為10%的MP10DWP在X波段（8.2-12.4 GHz）的平均EMI SE達45 dB，較純DWP（8 dB）提升超5倍，表明MXene的導電網(wǎng)絡顯著增強電磁波衰減能力；
（b）在12.4 GHz時，MPDWP的SEA占比（~85%）遠高于SER（~15%），證明其屏蔽機制以電磁波吸收為主。屏蔽性能可視化驗證
（c）特斯拉線圈測試中，DWP表面可見明顯電弧穿透，而（d）MP10DWP無電弧泄漏，直觀反映其高屏蔽效能。屏蔽機制解析
（e）MXene的二維片層形成連續(xù)導電網(wǎng)絡，通過界面極化與多重反射吸收電磁波；木材多孔結(jié)構(gòu)延長電磁波傳播路徑，增強能量耗散。
關(guān)鍵科學意義
圖9揭示了MXene/木材復合材料的電磁屏蔽增效機制：
導電網(wǎng)絡主導吸收：MXene的高導電性與木材孔隙協(xié)同作用，將入射電磁波轉(zhuǎn)化為熱能，降低反射污染風險；多級屏蔽結(jié)構(gòu)：從納米尺度的MXene界面極化到宏觀木材孔隙分布，形成寬頻帶、高強度的電磁波衰減路徑。
該研究通過天然木材的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與納米材料的性能優(yōu)勢結(jié)合，創(chuàng)新性地開發(fā)出兼具防泄漏、高導熱、阻燃、光熱轉(zhuǎn)換和電磁屏蔽的多功能復合相變材料，突破了傳統(tǒng)PCMs的性能瓶頸，為太陽能利用、智能建筑和電子熱管理提供了新型解決方案。
這篇文獻的創(chuàng)新點可總結(jié)為以下幾個方面：
1. 材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新
木氣凝膠基底：利用天然木材（巴沙木）經(jīng)脫木質(zhì)素處理形成多孔木氣凝膠，保留其各向異性和單向孔隙結(jié)構(gòu)，提供高比表面積和定向傳輸通道，為封裝相變材料（PEG）創(chuàng)造理想載體。
多功能納米雜化改性：通過蒸發(fā)誘導組裝法，在木氣凝膠表面引入二維材料MXene（Ti3C2）和植酸（PA），形成協(xié)同增強的雜化結(jié)構(gòu)。MXene提升導熱性與光吸收能力，PA通過多羥基結(jié)構(gòu)與木材結(jié)合，增強阻燃性。
2. 性能突破
防泄漏與高封裝率：木氣凝膠的蜂窩狀管胞結(jié)構(gòu)結(jié)合改性后的親水基團（-OH、-COOH），通過氫鍵作用有效固定PEG，封裝率高達91.5%，顯著解決傳統(tǒng)固-液PCMs的泄漏問題。
導熱性能提升：MXene的引入使復合材料的縱向?qū)崧侍嵘?.82 W m?¹ K?¹，是純PEG的4.6倍，加速熱能存儲與釋放。
高效太陽能-熱能轉(zhuǎn)換：MXene的高光吸收能力賦予材料98.58%的太陽能-熱能轉(zhuǎn)換效率，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)PCMs。
阻燃自熄特性：PA與MXene協(xié)同作用，在燃燒時形成致密多孔殘?zhí)繉樱种茻崃總鬟f，使復合材料峰值熱釋放速率（pHRR）降低375.44 W g?¹，并實現(xiàn)自熄行為。
電磁屏蔽功能：MXene的高導電性使材料在X波段（8.2–12.4 GHz）的電磁屏蔽效能達44.45 dB，突破傳統(tǒng)PCMs單一功能限制。
3. 制備方法創(chuàng)新
環(huán)保工藝：采用溫和的脫木質(zhì)素處理（酸性亞氯酸鈉溶液）和室溫蒸發(fā)誘導組裝法，避免有毒溶劑，符合綠色化學理念。
結(jié)構(gòu)可控性：通過調(diào)節(jié)MXene負載量（MP2DWP至MP10DWP系列），精準優(yōu)化導熱、電磁屏蔽等性能，實現(xiàn)多功能集成。
4. 應用潛力拓展
熱管理+電磁防護雙功能：首次將太陽能儲熱與電磁屏蔽結(jié)合，適用于電子設備、建筑節(jié)能等需多場景防護的領域。
循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異：經(jīng)200次熱循環(huán)后，相變焓值保持穩(wěn)定，證明其長期可靠性，滿足實際應用需求。
5. 協(xié)同機制揭示
PA-MXene協(xié)同阻燃：PA促進炭層形成，MXene增強炭層穩(wěn)定性，二者協(xié)同抑制燃燒鏈式反應。
木材-MXene定向傳熱：利用木材天然各向異性結(jié)構(gòu)，結(jié)合MXene的高導熱路徑，實現(xiàn)熱能定向高效傳輸。
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01414-4
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
