北科大王戈&高鸿毅Energy Storage Materials: 光热双功能MOF基定型复合相变材料

【引言】

相变材料（Phase Change Materials，PCMs）可以利用材料的相变过程，吸收并将环境的热能存储起来，并在需要时将热能释放出来，可以有效地解决时空热能供给和需求之间不平衡的矛盾。目前，传统的相变材料已在建筑节能、工业余热利用、太阳能利用等诸多领域有着广泛的应用潜力。但是，纯PCMs的泄漏和低热导率问题极大地限制了相变材料的吸放热效率。目前，许多报道通过制备定型复合相变材料解决泄露问题；通过填充高导热的添加物提升热导率，比如：金属、石墨烯、碳纳米管、碳纤维等等，从而有效地整合了高效的蓄热/传热性能。虽然相变材料在蓄热/传热方面已经取得了很大的进展，但是单一的热性能仍然无法满足相变材料日益增长的多功能需求。因此，在确保良好的热性能前提下，如何有效地开发相变材料更多的前沿性新功能以满足特定的场合需求成为相变材料领域研究的焦点。

【成果简介】

近日，北京科技大学材料科学与工程学院王戈教授和高鸿毅讲师（共同通讯作者）团队利用一种简便的合成策略开发出一种新型的Metal organic framework (MOF)基荧光功能化的定型复合相变材料，其中Carbon quantum dot (CQD)作为优异的荧光活性客体，硬脂酸作为优异的热能存储客体，Cr-MIL-101-NH₂作为兼容性良好的多孔载体主体。这种独特的结构有效地解决了传统的荧光猝灭现象，MOF和CQD双重优势的协同整合既保证了复合相变材料的优异热特性(高能量存储密度，热稳定性和优异的定型能力)，又进一步激发出具有优异颜色稳定性的高强度红绿蓝荧光，从而满足特定装置的特殊需求(例如LED)。MOF基荧光功能化的定型复合相变材料不仅可以激发红绿蓝荧光，而且可以通过硬脂酸的相变行为吸收LED运行期间散发的热量，从而延长LED的使用寿命。这种不同功能客体分子的协同整合策略为开发先进的多功能复合相变材料提供了一个创新平台。相关研究成果近期以“Smart Integration of Carbon Quantum Dots in Metal-Organic Frameworks for Fluorescence-functionalized Phase Change Materials”为题目发表在国际顶级能源期刊Energy Storage Materials (影响因子： ~14)，文章第一作者为北京科技大学材料科学与工程学院2015级在读博士生陈晓。

【图文导读】

图一：荧光功能复合相变材料制备示意图及CQDs表征

(a) 荧光功能复合相变材料制备示意图

(b) CQDs的荧光图像

(c-d) CQDs的TEM及粒径分布图

(e) CQDs的UV-Vis和PL图谱

图二：Cr-MIL-101-NH₂/CQD 复合载体材料的结构表征

(a-c) Cr-MIL-101-NH₂/CQD 复合载体材料的SEM、孔径分布及氮气吸脱附曲线

(d-f) Cr-MIL-101-NH₂/CQD 复合载体材料的XPS

图三：荧光功能复合相变材料的热性能和光性能

(a-b) 荧光功能复合相变材料的DSC

(c) 荧光功能复合相变材料的相变焓

(d-e) 荧光功能复合相变材料的循环稳定性测试

(f) 荧光功能复合相变材料的荧光寿命

(g-i) 荧光功能复合相变材料的PL光谱

图四：荧光功能复合相变材料的光性能和控温性能

(a-c)荧光功能复合相变材料的荧光图像 

(d) 荧光功能复合相变材料封装的LED

(e) 荧光功能复合相变材料的控温曲线图

(f) 荧光功能复合相变材料的荧光发射机理图

【小结】

本文利用一种简便的合成策略开发出一种新型的MOF基荧光功能化的定型复合相变材料，其中CQD作为优异的荧光活性客体，硬脂酸作为优异的热能存储客体，MOF作为兼容性良好的多孔载体主体。MOF和CQD双重优势的协同整合既保证了复合相变材料的优异热特性(高能量存储密度，热稳定性和优异的定型能力)，又进一步激发出具有优异颜色稳定性的高强度红绿蓝荧光，从而满足特定装置的特殊需求。这种不同功能客体分子的协同整合策略为开发先进的多功能复合相变材料提供了一个创新平台。

文献链接： 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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