基于聚多巴胺功能化碳点的阻燃木质复合相变材料实现高效太阳能-热能存储

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Flame-retardant wood-based composite phase change materials based on polydopamine functionalized carbon dots for efficient solar-to-thermal energy storage

本研究针对木质基相变材料(WPCMs)在太阳能存储中效率低、易燃等问题，通过将聚乙二醇(PEG)、磷酸三苯酯(TPP)和聚多巴胺(PDA)功能化碳点(PCDs)真空浸渍到脱木素质木材(DW)中，开发了一系列兼具阻燃性和光热储能性能的WPCMs。结果表明，材料泄漏率低至4.67%，光热储能效率高达90.68%，热释放峰值和总热释放量分别降低28.19%和13.45%。该研究将光热剂和阻燃剂集成于同一纳米材料PCDs中，为建筑领域的太阳能利用提供了新方案。

　　

随着气候变化和能源安全问题的日益突出，太阳能作为地球上最丰富、最具前景的可再生清洁能源受到广泛关注。然而，传统的太阳能利用方式如光伏发电存在能量供需不匹配、技术复杂、成本高等问题。相比之下，太阳能-热能转换效率可达90%以上，且过程简单、成本低廉，更易实现规模化应用。在这一背景下，木质基相变材料(WPCMs)因其天然的多通道结构和良好的建筑相容性，在太阳能热存储领域展现出巨大潜力。但现有WPCMs仍面临光热转换效率不足90%且本身易燃的双重挑战，严重限制了其实际应用。

为解决这一难题，刘玉山、曹雄雄等研究人员在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上发表了一项创新研究。他们巧妙地将聚多巴胺(PDA)功能化碳点(PCDs)作为多功能添加剂，与聚乙二醇(PEG)、磷酸三苯酯(TPP)共同浸渍到脱木素质木材(DW)中，成功制备出兼具高效光热转换和优异阻燃性能的WPCMs。

研究团队采用酸氧化蚀刻法从软沥青中制备碳点(CDs)，随后通过DA在Tris-HCl缓冲液中的聚合反应将CDs与PDA复合形成PCDs。通过真空浸渍技术将PEG、TPP和PCDs负载到经过脱木质素处理的木材基质中，构建了系列WPCMs复合材料。研究还通过调节各组分比例优化材料性能，并系统评估了其热学性能、防泄漏特性、阻燃机制和光热转换效率。

3.1 PCDs的合成、微观形貌和结构

通过透射电镜(TEM)观察发现，CDs平均粒径为8.69±0.46纳米，具有高结晶度，晶格间距约为0.21纳米。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)显示PCDs中C=O特征峰从1714 cm^-1位移至1630 cm^-1，表明CDs与PDA之间存在强烈的物理相互作用。紫外-可见吸收光谱表明PCDs在200-450纳米范围内具有比CDs更强的光吸收能力。

3.2 WPCMs的构建与结构分析

扫描电镜(SEM)显示DW具有独特的各向异性多孔管状结构，孔径为20-50微米。浸渍PEG、TPP和PCDs后，木材管腔被充分填充，各组分间表现出良好的界面相容性。FT-IR和X射线衍射(XRD)分析证实了PCDs与PEG/TPP/DW复合物中形成了新的化学键，包括C=O···C和C=O···H键，这些相互作用有效增强了材料的稳定性。

3.3 WPCMs的热性能

差示扫描量热法(DSC)测试表明，最优样品PEG/TPP/DW-P₂₀的熔融焓(ΔH_m)为117.53 J·g^-1，封装效率达90.48%。经过150次热循环后，相变温度基本保持不变，熔融焓仅降低13.0 J·g^-1，显示出优异的循环稳定性。材料过冷度仅为2.19°C，显著优于大多数研究报道。

3.4 PEG/TPP和WPCMs的防泄漏性能

泄漏测试显示，WPCMs在60°C下形状保持完好，质量损失率仅为4.67%，远低于纯PEG/TPP的100%。这归因于DW的多孔结构产生的毛细管力和表面张力，以及纤维素/半纤维素中的多羟基结构与PCMs形成的强氢键作用。

3.5 WPCMs的阻燃性能及机制

垂直燃烧测试表明，PEG/TPP/DW-P_x样品在二次点火后能自熄，且无熔滴现象。微型燃烧量热仪(MCC)测试显示，与PEG/DW相比，PEG/TPP/DW-P₂₀的峰值热释放率(pHRR)和总热释放量(THR)分别降低28.19%和13.45%。热重分析(TGA)表明PCDs的引入显著提高了材料的热分解温度。X射线光电子能谱(XPS)分析证实了P-N键的形成，揭示了PCDs中N与TPP中P的协同阻燃机制。

3.6 WPCMs的光热转换性能

在100 mW·cm^-2模拟太阳光照射下，PEG/TPP/DW-P₂₀的最高温度可达81.2°C，光热储能效率(η₂)高达90.68%。PCDs的粗糙表面促进了CDs与PDA之间的电子转移，增强了非辐射跃迁，从而提高了光热转换效率。

3.7 WPCMs的实际应用

通过构建房屋模型模拟实际应用环境，发现以PEG/TPP/DW-P₂₀为屋顶的室内外温差达5.2°C，且经过多次点火测试后仍能自熄，显示出优异的保温隔热和防火安全性能。

该研究成功将光热转换功能和阻燃性能集成于同一纳米材料体系，通过巧妙的材料设计和结构调控，解决了WPCMs在太阳能利用中的关键难题。PCDs作为多功能添加剂，不仅显著提升了材料的光热转换效率，还通过与TPP的协同作用增强了阻燃性能。所制备的WPCMs具有高相变焓、适宜相变温度、优异形状稳定性和循环耐久性，在建筑节能、太阳能利用和火灾安全领域展现出广阔应用前景。这项研究为开发多功能智能建筑材料提供了新思路，对推动可再生能源在建筑领域的应用具有重要意义。