北科大王戈团队EnSM: 新型多功能定型复合相变材料

【引言】

相变材料(PCMs-Phase Change Materials)是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的材料。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。相变材料一旦在人类生活被广泛应用，将成为节能环保的最佳绿色环保载体，在我国已经列为国家级研发利用序列。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。尽管相变材料在蓄热/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，在保证优异的热性能前提下，如何有效地开发前沿性的新型多功能相变复合材料以满足特定的场合需求成为该领域研究的焦点。

【成果简介】

近期，北京科技大学材料科学与工程学院王戈团队开发出两种新型多功能相变复合材料。其一，利用简便的模板合成策略开发出一种新型的碳纳米管束组装成的柔性多级孔海绵基定型复合相变材料，实现了对过敏性鼻炎的高效热疗。其中，海绵载体的多级孔保证了相变材料的高效固载，复合相变材料的高值热焓和低热导率保证了长时间的热疗效果，此外设计的外层纯碳纳米管海绵还可以通过净化摄入鼻腔的空气质量进一步优化热疗效果。相关研究成果以“Carbon Nanotube Bundles Assembled Flexible Hierarchical Framework Based Phase Change Material Composites for Thermal Energy Harvesting and Thermotherapy”为题发表在Energy Storage Materials (CiteScore：15.09)，文章第一作者为陈晓。

【图文导读】

图一：碳纳米管束组装碳海绵示意图及SEM/TEM图

(a) 碳纳米管海绵载体制备示意图

(b-d) 碳纳米管海绵载体的SEM图

(e-g) 碳纳米管海绵载体的TEM图

图二：碳纳米管海绵基复合相变材料的热性能及循环稳定性

(a-c) 碳纳米管海绵基复合相变材料的潜热

(d-e) 碳纳米管海绵基复合相变材料的活化能

(f) 碳纳米管海绵基复合相变材料的热导率

(g-h) 碳纳米管海绵基复合相变材料的热循环性能

图三：碳纳米管海绵基复合相变材料的热疗性能

(a) 相变材料基热疗口罩的结构示意图

(b) 相变材料基热疗口罩的热疗示意图

(c) 相变材料基热疗口罩的热疗曲线图

(d-e)相变材料基热疗口罩的空气净化性能

(f) 相变材料基热疗口罩的热疗红外成像图

其二，利用溶剂热法开发出一种新型的Metal organic frameworks (MOFs)基定型复合相变材料，实现蓄/传热功能的同时还具有光致发光功能，其中Carbon quantum dot (CQD)作为光致发光活性客体，硬脂酸作为热能存储客体，Cr-MIL-101-NH₂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。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思路。相关研究成果以“Smart Integration of Carbon Quantum Dots in Metal-Organic Frameworks for Fluorescence-functionalized Phase Change Materials”为题发表在Energy Storage Materials (CiteScore：15.09)，文章第一作者为陈晓。

【图文导读】

图四：多功能复合相变材料制备示意图及CQDs表征

(a) 多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

图五：多功能复合相变材料的热性能和光致发光性能

(a-b) 多功能复合相变材料的DSC

(c) 多功能复合相变材料的相变焓

(d-e) 多功能复合相变材料的循环稳定性测试

(f) 多功能复合相变材料的荧光寿命

(g-i) 多功能复合相变材料的PL光谱

【小结】

本团队一直致力于研发前沿性的新型多功能相变复合材料以满足特定的场合需求。近期，利用简便的模板合成策略开发出一种新型的碳纳米管束组装成的柔性多级孔海绵基定型复合相变材料，实现了对过敏性鼻炎的高效热疗。利用溶剂热法开发出一种新型的MOFs基定型复合相变材料，实现蓄/传热功能的同时还具有光致发光功能。这种多功能协同整合策略为开发先进的多功能定型复合相变材料提供了一个创新途径。

文献链接： 

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.

【作者简介】

陈晓，师资博士后，主要研究方向是相变储能材料。目前以第一作者身份在Nano Energy 、Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal 等国际权威期刊上发表SCI论文8篇，全部为中科院一区TOP期刊， 影响因子大于15的论文4篇，其中一篇入选Web of Science前1%高被引和热点论文，申请国家发明专利6项。博士期间曾获北京市普通高校优秀毕业生、北京科技大学十佳学术之星、优秀博士毕业论文、博士国家奖学金、研究生学术论坛优秀论文等荣誉。目前，正在主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后面上基金和中央高校基本科研业务费专项资金项目。

【团队近期研究成果】

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.

本文由北科大王戈团队供稿。

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