一维多功能基质封装形态稳定相变复合材料的电-热能量转换增强机制研究

为解决相变材料(PCMs)泄漏、导热/导电性差与储能密度低的协同优化难题，研究人员创新性地设计了一维(1D)纳米结构添加剂TAMn/CNTs复合体系。该研究通过分子间相互作用与三维导电网络构建，实现热导率提升3倍(kPCMs)、电导率提高4个数量级(δPCMs)，储能密度增至113.5 J g?1，为高性能PCM开发提供新范式。

　　

在能源危机与碳中和背景下，高效热管理材料成为解决能源存储与利用效率的关键。相变材料(PCMs)虽具有优异的潜热储能特性，却长期受困于三大技术瓶颈：液态泄漏导致系统失效、本征导热/导电性差制约能量传递效率、以及储能密度与稳定性难以兼得。传统解决方案往往顾此失彼——无机水合盐存在过冷与相分离问题，有机PEG类材料则面临0.1-0.5 W m^?1 K^?1的超低热导率限制。

针对这一跨学科难题，中国研究团队通过多尺度材料工程设计，开发出具有革命性的一维封装策略。研究创新性地将具有高长径比(≈100)的TAMn骨架与碳纳米管(CNTs)网络协同整合到PEG2000基质中，利用羧基(-COO^?)与羟基的分子间作用力构建防泄漏框架，同时通过CNTs的三维渗透网络实现电-热性能的同步提升。该成果发表于《Journal of Energy Storage》，为下一代智能热管理系统提供了材料基础。

关键技术包括：1) 酸-碱中和法制备TAMn骨架；2) 分子自组装构建氢键网络；3) 冷冻干燥与高温脱水工艺；4) CNTs分散优化形成导电通路。研究通过系统调控PEG/TAMn质量比(20:3最优)，实现物理固定与化学键合的协同作用。

【设计一维封装材料】
通过锂化-金属离子置换策略，将三羧基配体转化为锰配位骨架(TAMn)，其0.5-2 μm粒径与高比表面积有效固定PEG分子。冷冻电镜显示TAMn纳米片与PEG2000形成交错网络结构，泄漏测试表明复合材料在80°C仍保持形态稳定。

【能量转换机制】
拉曼光谱证实CNTs的sp²杂化碳网络与PEG羟基形成π-氢键相互作用。该界面工程使热导率从0.3提升至0.9 W m^?1 K^?1，同时电导率突破10^?3 S cm^?1，满足电热转换需求。DSC测试显示储能效率从71.1%跃升至97.4%，归因于CNTs对分子振动的调制作用。

【结论与意义】
该研究开创性地解决了PCM领域"防漏-导电-储能"的"不可能三角"问题：1) TAMn骨架通过物理限域与化学键合双重机制实现零泄漏；2) CNTs网络使电/热导率产生数量级提升；3) 分子水平相互作用优化使储能密度增加17.6%。这种"双相工程"策略为5G设备散热、动力电池热管理等场景提供了新材料解决方案，其97.4%的能量转换效率显著优于同类报道的90%水平。研究揭示的羟基-羧基相互作用机制，为多功能复合材料设计提供了普适性指导原则。