泥炭藓启发的多腔室层状气凝胶支架用于可便携光热储能与可调散热

《Aggregate》：Sphagnum-Inspired Multi-Chamber Layered Aerogel Scaffolds for Portable Photothermal Energy Storage With Tunable Heat Dissipation

　　

具有快速储热和泄漏抑制能力的便携式相变复合材料（PCC）对于复杂环境条件下的供热和温度调节至关重要；然而，其发展仍具挑战性。受泥炭藓（Sphagnum）串联多腔室保水结构的启发，研究人员设计了一种聚酰亚胺（PI）/MXene/刻蚀的沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）相变储能复合平台（sPMZ）。仿生分级多孔结构具有排列整齐的微腔和纳米孔，产生多尺度毛细力，有效抑制相变材料泄漏，实现85.3%的石蜡（PA）负载率，同时保持多次热充放电循环的结构完整性。仿生结构的引入使sPMZ平台的比表面积增加了1198%，使通过将PA浸渍到sPMZ中制备的PCC的热导率提高了43.7%，并提供了119.5 J·g^-1的熔融焓，相对焓效率为94.6%。此外，光热转换效率达到90.7%。通过光热转换测量、实际辐照评估以及储能和散热的集成控制，验证了受泥炭藓启发策略的可行性和可调性，为开发具有快速热充电和抑制泄漏的便携式储热器件铺平了道路。

**论文解读：泥炭藓启发的多腔室层状气凝胶用于便携式光热储能与可调散热**

**研究背景**
化石燃料的加速消耗和碳排放压力推动全球向绿色低碳能源转型，但太阳能、风能等可再生能源的间歇性和波动性给能源系统可靠性带来挑战。相变材料（PCM）因其高潜热、近等温相变行为及良好循环稳定性，在热能储存领域受到广泛关注，但传统PCM（如石蜡PA）存在本征热导率低、熔融时泄漏以及光热吸收不足等问题。为解决这些限制，研究人员探索了多孔支架封装、高导热填料复合及光热材料整合等策略，然而现有三维多孔支架仍受限于孔径分布控制不足、结构可调性差，难以同时实现高负载、防泄漏和热导率提升。自然界的泥炭藓（Sphagnum）通过多腔室串联毛细结构实现高效保水，其“储水-喉道”构型启发了研究人员构建仿生多腔室气凝胶支架，以突破PCM的上述瓶颈。该研究旨在设计一种兼具快速储热、泄漏抑制和可调散热性能的便携式相变复合材料（PCC），为太阳能热利用和便携式热管理提供新方案。论文发表在《Aggregate》。

**关键技术与方法**（不超过250字）
研究人员主要采用了以下关键技术：1）蒸汽刻蚀ZIF-8：在Ar/H₂O混合气氛下对沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）进行高温处理，使其有机配体碳化并产生结构缺陷，形成含中空多腔室的刻蚀ZIF-8颗粒；2）双向冷冻铸造：将聚酰胺酸（PAA）、MXene纳米片和刻蚀ZIF-8按比例混合，置于双向冷冻模具中诱导冰晶定向生长，经冷冻干燥和350°C（Ar气氛）亚胺化得到层状多孔聚酰亚胺（PI）/MXene/刻蚀ZIF-8气凝胶（sPMZ）；3）真空辅助浸渍：将石蜡（PA）在熔融状态下真空浸入sPMZ骨架，制得sPMZ@PA复合材料。无特殊样本队列来源。

**研究结果**

**2.1 仿生设计与sPMZ气凝胶制备**
通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱及透射电镜-能谱（TEM-EDS）表征，证实蒸汽刻蚀使ZIF-8由致密多面体转变为表面粗糙、含腔-喉结构的多腔室颗粒，且均匀锚定在MXene纳米片上；双向冷冻铸造法成功构建了具有定向排列层状孔道的PI/MXene/刻蚀ZIF-8复合结构，为后续毛细限域和热传导奠定了基础。

**2.2 多腔室结构演化与毛细限域机制**
N₂吸附-脱附分析表明，刻蚀后ZIF-8的微孔比例从92.6%降至54.4%，介孔/大孔比例增至45.6%，比表面积虽下降但孔道连通性增强。随MXene@刻蚀ZIF-8含量增加，sPMZ气凝胶比表面积从PI的0.7435 m²·g^-1升至sPMZ-50%的9.653 m²·g^-1，累积孔体积显著增大。泄漏测试显示，sPMZ-50%@PA在60°C加热1小时后质量损失仅0.2%，远低于PI@PA的13.7%，归因于腔-喉结构产生的多尺度毛细压力和界面钉扎力抑制了熔融PA迁移。热导率测量（沿冷冻铸造方向）表明，引入MXene@刻蚀ZIF-8使sPMZ-50%@PA热导率达0.4276 W·m^-1·K^-1，较PI@PA提高43.7%，得益于MXene网络和定向层状通道的协同导热作用。

**2.3 sPMZ@PA的相变性能与结构-性能优势**
差示扫描量热（DSC）曲线显示，sPMZ-50%@PA的熔融焓和结晶焓分别为119.5 J·g^-1和117.8 J·g^-1，相对焓效率达94.6%，显著高于PI@PA（54.1%）。热重分析（TG/DTG）表明，sPMZ-50%@PA的PA负载量为85.3 wt%，优于未刻蚀ZIF-8体系（PMNZ）的76.2 wt%。对比实验揭示，高负载和低泄漏主要归因于刻蚀产生的可达孔体积和分级限域能力，而非单纯比表面积。

**2.4 sPMZ@PA的光热性能与器件散热调节**
光吸收光谱显示，sPMZ-50%在0.3–2 μm波段吸收率远高于PA，归因于MXene的本征吸收和多腔室结构增强的光散射。模拟太阳光（500 mW·cm^-2）照射下，sPMZ-50%@PA温度显著上升，冷却时出现明显相变平台；经50次加热-冷却循环，质量损失仅1.29%，光热转换效率达90.7%。自然日光照射实验验证了实际太阳能-热能存储能力。基于该复合材料，研究人员设计了便携式储热原型器件，通过不同封装材料（暴露、金属盖、多孔金属箔、透明绝缘片、金属盖+气凝胶）分别调节对流、辐射和传导，实现了从快速散热到长效保温的可控热释放，最大延长散热时间（金属盖+气凝胶组合）。

**总结与结论**
研究结论指出：研究人员设计了一种受泥炭藓启发的PCC，通过将层状PI/MXene气凝胶支架与蒸汽刻蚀ZIF-8（作为分隔限域基质）整合而成。刻蚀ZIF-8在宏观多孔气凝胶框架内部形成多腔室微储层结构，通过毛细锁定和界面钉扎有效抑制熔融PA泄漏。与未刻蚀ZIF-8的对比证实高PA负载和低泄漏并非仅由比表面积决定，而是依赖于分级微观结构所提供的可达孔体积和限域能力。同时，MXene实现了宽带光热转换并构建了高效导热通路，协同增强了复合材料的热充放电动力学和循环稳定性。与原始PI气凝胶相比，sPMZ-50%的比表面积提高1198%，热导率提升43.7%。所得sPMZ-50%@PA的熔融焓为119.5 J·g^-1，相对焓效率94.6%，对应85.3%的高PA负载；光热转换效率达到90.7%。此外，系统的光热转换测量、实际辐照评估以及储能和散热的集成调控共同验证了泥炭藓启发策略的可行性与可调性，为开发便携、快速充电、防泄漏的PCC及器件提供了有价值的设计指南。