植物仿生碳纳米管-多孔碳分级骨架封装聚乙二醇用于高效热能存储

本研究针对相变材料(PCMs)存在的泄漏和低导热性问题，创新性地构建了受植物"胞间连丝"启发的碳纳米管(CNTs)-多孔碳分级骨架，用于封装聚乙二醇(PEG)。通过分子动力学(MD)模拟指导实验，采用茶渣衍生的分级多孔碳(TRHPC)为载体，实现了64%的相变潜热提升和1.036 W/m·K的导热率，同时显著延长电子器件热循环寿命，为可再生能源存储提供了新型高效解决方案。

　　

在全球气候治理和"双碳目标"推动下，可再生能源的间歇性问题使热能存储技术成为研究热点。相变储热材料(PCMs)虽具有高储能密度优势，却长期受困于两大技术瓶颈：液态泄漏会损坏设备，而低导热性（通常<0.5 W/m·K）导致储/放热速率不足。传统解决方案如多孔载体封装或添加高导热纳米颗粒，往往顾此失彼——前者牺牲导热性，后者引入界面热阻。更棘手的是，明星材料碳纳米管(CNTs)虽有超高本征导热性（3000-6000 W/(m·K)），但在复合材料中因无法形成三维连续网络，实际导热率骤降至0.1-1 W/(m·K)，这成为制约高性能PCMs开发的"阿喀琉斯之踵"。

广东某高校团队独辟蹊径，从植物胞间连丝(plasmodesmata)的跨细胞物质传输机制获得灵感，在《Renewable Energy》发表突破性研究。他们创新设计出"主-辅"双网络结构：以茶渣衍生的分级多孔碳(TRHPC)为稳定主骨架，CNTs为贯穿孔隙的次级网络，形成类似植物组织的分级传质通道。这种结构既保留大孔空间维持高储能密度，又通过CNTs网络构建"热能高速公路"，同时巧妙利用毛细作用力解决PEG封装难题。

研究团队采用分子动力学(MD)模拟预演CNTs网络的热传导机制，指导实验制备TRHPC@CNT载体。通过低温氮吸附、扫描电镜(SEM)和同步辐射表征证实，茶渣纤维素经水热碳化后保留天然管状结构，其丰富的微/纳米孔道（比表面积达892.6 m²/g）为CNTs穿插提供理想锚定位点。差示扫描量热(DSC)测试显示，PEG/TRHPC@CNT的相变潜热达110.70 J/g，较无CNTs样品提升64%，导热率提高至1.036 W/m·K——这相当于在保持"储热水库"容量的同时，将输热管道扩容三倍。

在电子器件散热测试中，该复合材料展现出"智能温控"特性：当芯片温度超过PEG熔点时，材料通过相变吸热使表面温度降低7.2°C，并将加热/冷却循环周期延长2.3倍。更令人惊喜的是，CNTs网络赋予材料优异的光热转换能力，其太阳能吸收效率提升30%，这为开发自供能热管理系统开辟新途径。

研究通过热重分析(TGA)证实材料在200次冷热循环后仍保持98.7%的重量，解决了传统PCMs的稳定性难题。拉曼光谱揭示CNTs与多孔碳骨架间形成sp²杂化键，这是降低界面热阻的关键——如同在两种材料间架设了"声子桥梁"，使热量传递效率提升28%。

这项研究颠覆了传统"试错法"材料开发模式，首次实现从微观结构设计到宏观性能调控的精准构建。其创新点在于：1) 仿生构建分级传热网络，突破界面热阻瓶颈；2) 利用废弃茶渣制备高性能载体，成本降低40%；3) 集成MD模拟与实验验证，为PCMs理性设计提供范式。该成果不仅为电子设备热管理提供新方案，其"废物增值-能源存储"技术路线更契合循环经济理念，预计可使太阳能热发电系统效率提升15%，为实现"双碳目标"注入新动能。

正如研究者Daili Feng指出："这种受自然启发的材料设计策略，打通了从纳米级热传导优化到宏观热能工程应用的链条。"未来通过调控CNTs手性参数和孔隙分级，有望进一步解锁PCMs的性能极限，在智能建筑、工业余热回收等领域展现更大潜力。