近日,北京化工大学材料科学与工程学院汪晓东教授/刘欢副教授团队在《Nano-Micro Letters》(IF= 31.6)期刊在线发表题为《Multi-Energy Conversion and Electromagnetic Shielding Enabled by Carbonized Polyimide/Kevlar/Graphene Oxide@ZIF-67 Bidirectional Complex Aerogel-Encapsulated Phase Change Materials》的研究论文。
传统能源材料在能量转换与存储领域长期面临功能单一、转换效率低下的技术瓶颈,难以满足现代社会对高效、可持续能源系统的迫切需求。相变材料因其独特的相变潜热特性与多物理场耦合能力,为解决上述问题提供了新思路。其在相变过程中可高效吸收、释放大量能量,同时维持温度稳定,从而显著提升能源系统的能量密度与转换效率。通过复合设计与结构调控,相变材料能实现多功能协同转换,为工业余热回收、智能电子设备热管理、绿色建筑、人体热疗等领域带来革命性变革。因此深入研究相变材料多重能量转换方式、机理与应用,不仅对推动能源材料的高效化与多功能化具有重要科学价值,更为实现“双碳”目标下的能源结构转型提供了关键技术支撑。
该研究团队创新性的采用碳化聚酰亚胺/凯夫拉纤维/氧化石墨烯@ZIF-67复合气凝胶(C/RGO@CoNC气凝胶)作为支撑骨架,结合石蜡相变材料,构建出具有太阳能-热能、热电、电热、磁热转换和电磁屏蔽功能“五合一”功能的相变复合材料。所开发的相变复合材料的太阳能-热转换效率达到95.1%,电导率达到232.8 S m-1,潜热容量高达209.2 J g-1,饱和磁化率达到18.61 emu g-1。该相变复合材料不仅具有优异的太阳能-热能、热电、电热和磁热能量转换性能,而且在X波段的电磁干扰屏蔽效果高达66.2 dB;同时该工作也详细分析了实现多重能量转换能力的和电磁屏蔽的机制。这种“碳质气凝胶+相变材料”设计的巧妙独特之处在于它实现了多种能量转换路径的优化和电磁屏蔽性能的协同提升。该团队所开发的多功能相变复合材料为清洁能源储存和高效能源利用提供了新的解决方案,多能性的设计不仅推动了先进功能材料的研究,还为相关领域的技术创新和可持续发展提供了重要借鉴。
图1 多重能量转换、存储与电磁屏蔽功能概念图
图2(a)C/RGO@CoNC碳质复合气凝胶基相变复合材料的多能量转换和电磁屏蔽功能示意图。(b)PI/KNF/GO@ZIF-67和C/RGO@CoNC气凝胶的制备策略和机理。
图3 (a) PI/KNF/GO-20气凝胶、(b) PI/KNF/GO-20@ZIF-67气凝胶、(c) C/RGO-20@CoNC气凝胶不同方向SEM图。(d,e) C/RGO-20@CoNC气凝胶的高分辨率TEM图,(f) SAED图,(g) 元素映射图。(h-i) C/RGO-20@CoNC气凝胶XPS光谱和拉曼光谱。
图4碳化的气凝胶相变复合材料的(a)太阳光-热转换机理图、(b)热电转换示意图、(c)电热转换机理图、(d)磁热转换机理图和(e)复合材料用于两部手机之间蓝牙连接的电磁干扰屏蔽实验数字图像和电磁屏蔽机制图。
北京化工大学材料科学与工程学院的博士生史涛为论文的第一作者,汪晓东教授和刘欢副教授为论文的通讯作者,该研究得到了北京市自然科学基金的支持。
在过于的2024年中,汪晓东教授团队在相变材料多功能化设计制备及多目标应用研究领域中取得了一系列显著成果,其中所获基于三明治结构的氟化聚酰亚胺气凝胶/石蜡相变复合材料在高温梯度热防护和透波中的应用成果发表在Advanced Science上(2024, 12, 2411758; https://doi.org/10.1002/advs.202411758);基于聚酰亚胺气凝胶三明治结构相变复合材料在高温长时间红外热隐身及热调控中的应用成果发表在Advanced Functional Materials上(2024, 34, 2309269; https://doi.org/10.1002/adfm.202309269);基于相变材料3D打印太阳能蒸发器在海水淡化中的应用成果发表在Advanced Functional Materials上(2024, 34, 2316504; https://doi.org/10.1002/adfm.202316504);基于冠醚修饰相变材料微胶囊在太阳能驱动盐湖水淡化和铯离子同步收集的应用成果发表在Advanced Functional Materials上(2024, 34, 2408269; https://doi.org/10.1002/adfm.202408269);基于聚乙二醇-聚膦腈固-固相变材料MXene膜整合体的多功能化应用成果发表在Small上(2024, 2407626;https://doi.org/10.1002/smll.202407626);上述研究成果相变材料在多领域推广应用开发提供了科学依据和开发思路。
论文信息:Tao Shi, Xing Gao, Huan Liu* and Xiaodong Wang*. Multi-Energy Conversion and Electromagnetic Shielding Enabled by Carbonized Polyimide/Kevlar/Graphene Oxide@ZIF-67 Bidirectional Complex Aerogel-Encapsulated Phase Change Materials. Nano-Micro Letters, 2025, 17: 235 (DOI: 10.1007/s40820-025-01761-w).
原文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01761-w
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