本文創(chuàng)新性地開發(fā)了一種具有多功能特性的木基復(fù)合相變材料，包括高效的太陽(yáng)能-熱能儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換、優(yōu)異的電磁屏蔽性能和強(qiáng)大的阻燃性。通過(guò)簡(jiǎn)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(lái)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(chǔ)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(yáng)能-熱能轉(zhuǎn)換效率（高達(dá)98.58%）和電磁屏蔽效果（最大值為44.45 dB）。同時(shí)，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(shì)，本文提出的多方面方法通過(guò)簡(jiǎn)便的MXene和PA雜化木材改性，增強(qiáng)了所制備的形狀穩(wěn)定復(fù)合相變材料的多功能性，有助于拓展其在太陽(yáng)能收集方面的潛在應(yīng)用。
圖1 植酸與MXene修飾木氣凝膠支撐的復(fù)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(xué)圖像；（e）MXene的AFM圖像；（f）MXene對(duì)應(yīng)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(guò)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(duì)比）；
（c）通過(guò)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(dòng)態(tài)過(guò)程可視化（蒸發(fā)誘導(dǎo)MXene納米片自組裝機(jī)制）。
關(guān)鍵科學(xué)信息
圖2重點(diǎn)驗(yàn)證MXene的制備成功（如XRD中MAX的（104）峰消失、MXene的（002）峰左移）；
強(qiáng)調(diào)MXene的納米片特性（原子級(jí)平整度、超薄厚度），為其后續(xù)功能（導(dǎo)熱、電磁屏蔽）提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖3（a）負(fù)載MXene與植酸（MP10DW）的木氣凝膠橫截面視圖的場(chǎng)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(fù)合修飾木材（MP10DW）的實(shí)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(shuō)明
分圖邏輯
（a-b）通過(guò)橫縱截面FESEM-EDS驗(yàn)證MXene/PA在木氣凝膠中的均勻負(fù)載（元素面掃可顯示Ti、P等特征信號(hào)）；
（c）示意圖解釋PA的雙重作用：① 抑制MXene氧化，② 通過(guò)磷酸基團(tuán)錨定MXene與木材纖維；
（d）實(shí)物對(duì)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(guò)FTIR（羥基/磷酸基特征峰）和XRD（MXene特征峰）證明化學(xué)鍵合與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
科學(xué)意義
圖3系統(tǒng)性驗(yàn)證復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)（MXene/PA均勻分散）、化學(xué)相互作用（PA橋接機(jī)制）及宏觀性能（結(jié)構(gòu)完整性），為后續(xù)相變儲(chǔ)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(fù)合修飾木材（MP2DWP）及MXene/植酸高負(fù)載木材（MP10DWP）的橫截面場(chǎng)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(píng)估；（d）本研究木材基底與其他文獻(xiàn)中多孔材料（如碳泡沫、金屬有機(jī)框架等）的封裝能力對(duì)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(jī)械性能測(cè)試的實(shí)物照片
分圖說(shuō)明
形貌表征
（a-b）通過(guò)FESEM對(duì)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(fù)合修飾后（MP2DWP、MP10DWP），孔隙內(nèi)均勻負(fù)載二維MXene納米片。
功能驗(yàn)證
（c）防泄漏測(cè)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(wú)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(jí)孔道與MXene/植酸的強(qiáng)界面結(jié)合。
化學(xué)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(xué)鍵合協(xié)同作用；
（f）XRD中MXene的（002）特征峰（6.5°）在復(fù)合后未偏移，表明其層狀結(jié)構(gòu)保持完整。
機(jī)械穩(wěn)定性
（g）機(jī)械測(cè)試顯示，MP10DWP在80℃下仍維持高抗壓強(qiáng)度（12.3 MPa），歸因于MXene增強(qiáng)骨架與植酸的界面交聯(lián)。
引用說(shuō)明
形貌與封裝機(jī)制：MXene/植酸復(fù)合改性提高木材基底的熱穩(wěn)定性和界面結(jié)合力；
化學(xué)鍵合分析：FTIR和XRD驗(yàn)證復(fù)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(guò)程中的DSC曲線；（b）加熱過(guò)程中的DSC曲線；（c）純PEG、脫木質(zhì)素木材（DWP）及不同MXene/植酸復(fù)合木材（MPDWP）的過(guò)冷度對(duì)比；（d）MPDWP的焓值；（e）縱向熱導(dǎo)率與（f）徑向熱導(dǎo)率（純PEG、DWP及MPDWP的對(duì)比）；（g）MP10DWP中熱導(dǎo)率增強(qiáng)的潛在機(jī)理（MXene網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)熱傳導(dǎo)）及相變過(guò)程中PEG鏈運(yùn)動(dòng)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(guò)程中相變峰更尖銳，表明相變可逆性提升；（c）過(guò)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(dǎo)率提升機(jī)制
（e-f）MXene/植酸復(fù)合木材的縱向熱導(dǎo)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(dǎo)熱通路；
（g）MXene的二維結(jié)構(gòu)通過(guò)氫鍵和范德華力與PEG分子鏈結(jié)合，抑制相變過(guò)程中的鏈無(wú)序運(yùn)動(dòng)，同時(shí)增強(qiáng)界面熱傳遞效率。
關(guān)鍵科學(xué)意義
圖5系統(tǒng)性揭示了MXene/植酸復(fù)合木材在相變儲(chǔ)能與熱管理中的雙重優(yōu)勢(shì)：
熱力學(xué)性能優(yōu)化：MXene降低PEG過(guò)冷度并提升相變可逆性，保障儲(chǔ)能穩(wěn)定性；
傳熱路徑設(shè)計(jì)：MXene沿木材天然孔道形成各向異性導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，突破傳統(tǒng)相變材料低熱導(dǎo)率瓶頸。
圖6（a）脫木質(zhì)素木材（DWP）、聚乙二醇（PEG）及MXene/植酸復(fù)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(duì)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(yàn)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(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了木材基底的熱穩(wěn)定性。
循環(huán)穩(wěn)定性評(píng)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(chǔ)能性能高度穩(wěn)定；
（d）DSC曲線循環(huán)前后峰形一致，過(guò)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(rèn)化學(xué)鍵合與晶體結(jié)構(gòu)在循環(huán)中保持完整。
關(guān)鍵科學(xué)意義
圖6通過(guò)多尺度表征揭示了MXene/植酸復(fù)合木材的長(zhǎng)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(fù)合材料的熱降解；
結(jié)構(gòu)魯棒性：木材分級(jí)孔道與MXene/植酸界面交聯(lián)共同抵抗循環(huán)應(yīng)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(fù)合修飾木材（MPDWP）的熱釋放速率（HRR）曲線；（b）總熱釋放量（THR）對(duì)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(cè)試中的實(shí)物照片；（f）MPDWP的潛在阻燃機(jī)制示意圖
分圖解析
燃燒性能評(píng)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(fù)合體系顯著抑制燃燒過(guò)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(fù)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(kuò)散；
（d）EDS mapping中Ti、P元素均勻分布，表明MXene與植酸協(xié)同促進(jìn)炭層穩(wěn)定化。
垂直燃燒測(cè)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(wú)熔滴現(xiàn)象，驗(yàn)證其自熄特性。
阻燃機(jī)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?zhǔn)椒磻?yīng)；
凝聚相阻燃：MXene片層形成物理屏障，延緩可燃?xì)怏w釋放。
關(guān)鍵科學(xué)意義
圖7揭示了MXene/植酸復(fù)合木材的多級(jí)阻燃機(jī)制：
協(xié)同阻燃效應(yīng)：MXene的物理屏障與植酸的化學(xué)阻燃作用結(jié)合，實(shí)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(hù)木材基底，避免二次燃燒風(fēng)險(xiǎn)。
圖8（a）太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)換測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)物照片46；（b）脫木質(zhì)素木材（DWP）與MXene/植酸復(fù)合木材（MP10DWP）的紫外-可見吸收光譜對(duì)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(shí)現(xiàn)高效光-熱-電轉(zhuǎn)換的機(jī)理示意圖34；（e）MP10DWP在氙燈開關(guān)循環(huán)中的10次光-熱存儲(chǔ)與釋放過(guò)程23；（f）模擬多云天氣條件下，應(yīng)用MP10DWP與未應(yīng)用的測(cè)試系統(tǒng)電壓波動(dòng)對(duì)比
分圖解析
光-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
（a）集成MP10DWP的測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)木材封裝相變材料實(shí)現(xiàn)光能吸收與熱能存儲(chǔ)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(xì)效應(yīng)共同促進(jìn)PEG相變材料的定向熱能傳遞。
光熱性能驗(yàn)證
（b）MP10DWP在400-800 nm波段的吸收率（~92%）較DWP（~45%）提升一倍，增強(qiáng)光熱轉(zhuǎn)換效率；
（c）氙燈開啟時(shí)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(dá)15分鐘，證明其儲(chǔ)熱能力。
系統(tǒng)穩(wěn)定性與適用性
（e）10次循環(huán)中MP10DWP的儲(chǔ)熱焓值保持率＞97%，相變溫度波動(dòng)＜1℃，滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行需求；
（f）多云條件下MP10DWP系統(tǒng)電壓波動(dòng)范圍（±0.3 V）較未應(yīng)用系統(tǒng)（±1.2 V）降低75%，有效緩解間歇性光照對(duì)輸出的影響。
關(guān)鍵科學(xué)意義
圖8展示了MXene/植酸復(fù)合木材在光-熱-電轉(zhuǎn)換中的多級(jí)增效機(jī)制：
光熱協(xié)同設(shè)計(jì)：MXene增強(qiáng)光吸收，木材孔道結(jié)構(gòu)優(yōu)化熱能存儲(chǔ)與釋放路徑，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(yīng)特性協(xié)同提升系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)光照?qǐng)鼍跋碌姆€(wěn)定性。
圖9（a）不同MXene含量的脫木質(zhì)素木材（DWP）及其復(fù)合改性材料（MPDWP）在X波段的電磁干擾屏蔽效能（EMI SE）對(duì)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(duì)比67；（c-d）DWP與MP10DWP通過(guò)特斯拉線圈進(jìn)行電磁屏蔽測(cè)試的實(shí)物照片；（e）MPDWP的電磁屏蔽機(jī)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(dá)45 dB，較純DWP（8 dB）提升超5倍，表明MXene的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)顯著增強(qiáng)電磁波衰減能力；
（b）在12.4 GHz時(shí)，MPDWP的SEA占比（~85%）遠(yuǎn)高于SER（~15%），證明其屏蔽機(jī)制以電磁波吸收為主。屏蔽性能可視化驗(yàn)證
（c）特斯拉線圈測(cè)試中，DWP表面可見明顯電弧穿透，而（d）MP10DWP無(wú)電弧泄漏，直觀反映其高屏蔽效能。屏蔽機(jī)制解析
（e）MXene的二維片層形成連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)界面極化與多重反射吸收電磁波；木材多孔結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)電磁波傳播路徑，增強(qiáng)能量耗散。
關(guān)鍵科學(xué)意義
圖9揭示了MXene/木材復(fù)合材料的電磁屏蔽增效機(jī)制：
導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)吸收：MXene的高導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)；多級(jí)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(qiáng)度的電磁波衰減路徑。
該研究通過(guò)天然木材的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)與納米材料的性能優(yōu)勢(shì)結(jié)合，創(chuàng)新性地開發(fā)出兼具防泄漏、高導(dǎo)熱、阻燃、光熱轉(zhuǎn)換和電磁屏蔽的多功能復(fù)合相變材料，突破了傳統(tǒng)PCMs的性能瓶頸，為太陽(yáng)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(xiàn)的創(chuàng)新點(diǎn)可總結(jié)為以下幾個(gè)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(guò)蒸發(fā)誘導(dǎo)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(qiáng)的雜化結(jié)構(gòu)。MXene提升導(dǎo)熱性與光吸收能力，PA通過(guò)多羥基結(jié)構(gòu)與木材結(jié)合，增強(qiáng)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(tuán)（-OH、-COOH），通過(guò)氫鍵作用有效固定PEG，封裝率高達(dá)91.5%，顯著解決傳統(tǒng)固-液PCMs的泄漏問(wèn)題。
導(dǎo)熱性能提升：MXene的引入使復(fù)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(chǔ)與釋放。
高效太陽(yáng)能-熱能轉(zhuǎn)換：MXene的高光吸收能力賦予材料98.58%的太陽(yáng)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(shí)形成致密多孔殘?zhí)繉樱种茻崃總鬟f，使復(fù)合材料峰值熱釋放速率（pHRR）降低375.44 W g?¹，并實(shí)現(xiàn)自熄行為。
電磁屏蔽功能：MXene的高導(dǎo)電性使材料在X波段（8.2–12.4 GHz）的電磁屏蔽效能達(dá)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(dǎo)組裝法，避免有毒溶劑，符合綠色化學(xué)理念。
結(jié)構(gòu)可控性：通過(guò)調(diào)節(jié)MXene負(fù)載量（MP2DWP至MP10DWP系列），精準(zhǔn)優(yōu)化導(dǎo)熱、電磁屏蔽等性能，實(shí)現(xiàn)多功能集成。
4. 應(yīng)用潛力拓展
熱管理+電磁防護(hù)雙功能：首次將太陽(yáng)能儲(chǔ)熱與電磁屏蔽結(jié)合，適用于電子設(shè)備、建筑節(jié)能等需多場(chǎng)景防護(hù)的領(lǐng)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(zhǎng)期可靠性，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
5. 協(xié)同機(jī)制揭示
PA-MXene協(xié)同阻燃：PA促進(jìn)炭層形成，MXene增強(qiáng)炭層穩(wěn)定性，二者協(xié)同抑制燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
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(dǎo)熱路徑，實(shí)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(hào)
