基于ZIF-67/三聚氰胺泡沫的形状稳定相变复合材料在太阳能热能转换与储存中的应用

《Materials Today Sustainability》：Shape-stabilized Phase Change Composites based on ZIF-67/Melamine Foam for Solar-thermal Energy Conversion and Storage

PEG泄漏和光吸收不足的问题通过MF基体材料上原位生长ZIF-67并高温碳化制备的多级孔碳材料有效解决，光热转换率达92.65%，热导率0.38 W/(m·K)，为可再生能源系统提供高效储能材料。

　　随着全球对能源效率提升和可再生能源利用需求的不断增长，相变材料（Phase Change Materials, PCMs）在温度调节和能量储存领域的重要性日益凸显。其中，聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）因其优异的能量储存性能和良好的热稳定性，被广泛研究和应用。然而，PEG在实际应用中仍面临一些关键挑战，例如泄漏问题和光热转换效率较低。这些问题限制了PEG在高温环境下的应用范围，尤其是在需要长期稳定能量储存和释放的场景中。因此，开发一种能够有效解决PEG泄漏问题并提高其光热转换效率的新型复合材料成为当前研究的热点。

本研究提出了一种基于多孔材料封装的策略，以改善PEG的封装效果并提升其光热性能。具体而言，通过在氮气气氛下高温碳化，将金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）中的ZIF-67原位生长于多孔泡沫材料（Melamine Foam, MF）表面，从而构建出一种具有分层多孔结构的复合材料。这种结构不仅能够增强材料的光吸收能力，还能够有效防止PEG在相变过程中的泄漏。此外，通过引入ZIF-67，可以进一步提高材料的热传导性能，从而提升其整体的能量储存与转换效率。

研究中所使用的MF是一种具有高度连通性网络结构和优异孔隙率的多孔材料，其结构特性使其成为一种理想的PEG封装载体。通过在MF表面涂覆不同浓度的多巴胺（Dopamine, PDA），可以调控ZIF-67的生长情况，进而影响最终复合材料的性能。实验结果显示，随着多巴胺浓度的增加，ZIF-67的生长量也随之增加，从而提高了材料的光吸收能力。然而，多巴胺的增加也会导致PEG在复合材料中的负载率下降，这表明在优化封装效果时需要在多巴胺浓度与PEG负载之间找到最佳平衡点。

在实验过程中，研究人员首先对MF进行了清洗和干燥处理，随后将其浸入Tris缓冲液中，通过磁力搅拌促进多巴胺的均匀吸附。接着，将处理后的MF置于含有ZIF-67前驱体的甲醇溶液中，使其在MF表面原位生长。经过高温碳化后，ZIF-67被转化为具有分层多孔结构的碳材料，从而显著增强了材料的光热转换能力。最终，通过真空浸渍法将PEG封装到碳化后的MF-ZIF-67复合材料中，形成了一种新型的相变复合材料（Phase Change Composite, PCC）。

为了评估这种新型PCC的性能，研究人员采用了多种表征手段，包括扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）和差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）。SEM图像显示，封装后的PCC材料中，PEG能够均匀地填充在MF和ZIF-67的多孔结构中，没有明显的相分离现象，这表明材料具有良好的封装效果。XRD分析进一步验证了封装过程对PEG的晶体结构影响较小，说明PEG在复合材料中主要以物理吸附形式存在，而非化学键合，这有助于其在多次相变过程中的稳定性和可重复使用性。

DSC测试结果显示，不同矩阵材料对PEG的相变热值有显著影响。MF@PEG的熔化和结晶热值分别为174.3 J/g和170.3 J/g，而CMF@PEG的熔化和结晶热值分别为177.9 J/g和172.6 J/g，表明碳化处理提高了PEG的封装率，从而增强了其能量储存能力。相比之下，随着ZIF-67含量的增加，PCC的相变热值逐渐下降，但其光热转换效率显著提升。例如，CMF-PDA-3-ZIF@PEG的光热转换效率达到了92.65%，其热导率也达到了0.38 W/(m·K)，显示出该材料在光热能量转换方面的优越性能。

此外，研究还探讨了封装材料的孔隙结构对PEG性能的影响。大孔隙虽然提供了更多的储存空间，但也可能导致PEG在相变过程中更容易泄漏，而小孔隙则能通过毛细作用更有效地固定PEG。因此，构建具有分层孔隙结构的材料成为解决这一问题的关键。通过将ZIF-67引入MF中，不仅增强了材料的光吸收能力，还改善了其热传导性能，从而实现了对PEG性能的全面提升。

实验结果表明，CMF-PDA-3-ZIF@PEG在多次光热循环测试中表现出优异的稳定性。在35次循环测试后，其仍能保持稳定的相变平台，显示出良好的循环性能。这表明该材料不仅具备较高的能量储存能力，还能在实际应用中保持长期的性能稳定性，为可再生能源系统的高效能量储存和转换提供了新的思路。

从更广泛的角度来看，这种新型PCC材料的应用前景十分广阔。它不仅可以用于建筑节能、太阳能热水器等传统领域，还可以拓展到柔性电子器件、智能纺织品和热能管理系统等新兴技术中。随着对可再生能源和可持续发展的关注不断加深，开发具有高能量密度、良好热稳定性和优异光热转换性能的新型材料成为推动绿色能源技术进步的重要方向。本研究通过优化材料结构和功能，为这一领域提供了新的技术路径和理论支持，同时也为未来相关研究奠定了基础。

在实际应用中，这种材料的优势在于其结构的灵活性和可扩展性。MF作为一种低成本且易于大规模生产的多孔材料，能够有效降低封装过程的成本。而ZIF-67的引入则通过其独特的光吸收特性和热传导能力，进一步提升了PCC的整体性能。这种材料的制备过程简单且环保，符合当前可持续发展的要求，同时也为解决传统PCMs在实际应用中的局限性提供了新的解决方案。

综上所述，本研究通过结合MF的多孔结构和ZIF-67的光热特性，成功开发出一种新型的相变复合材料。该材料不仅解决了PEG在封装过程中的泄漏问题，还显著提高了其光热转换效率，为可再生能源系统的高效能量储存和利用提供了有力的技术支撑。未来，随着材料科学的不断进步和相关技术的完善，这种新型PCC有望在更广泛的领域中得到应用，推动绿色能源技术的进一步发展。