本文創新性地開發了一種具有多功能特性的木基復合相變材料，包括高效的太陽能-熱能儲存和轉換、優異的電磁屏蔽性能和強大的阻燃性。通過簡便且環保的合成方法，即木材脫木質素后MXene/PA共裝飾，利用木氣凝膠的固有各向異性和多功能性來支撐PEG。所制備的CPCMs表現出顯著的PEG封裝能力和高熱能儲存密度，且在至少200次加熱和冷卻循環中保持熱耐久性和穩定性。此外，MXene納米片在木氣凝膠表面的戰略沉積顯著提高了太陽能-熱能轉換效率（高達98.58%）和電磁屏蔽效果（最大值為44.45 dB）。同時，PA與MXene的協同作用也顯著降低了CPCMs的可燃性。鑒于這些顯著優勢，本文提出的多方面方法通過簡便的MXene和PA雜化木材改性，增強了所制備的形狀穩定復合相變材料的多功能性，有助于拓展其在太陽能收集方面的潛在應用。
圖1 植酸與MXene修飾木氣凝膠支撐的復合相變材料制備示意圖
圖2（a）MAX相的SEM顯微照片；（b）多層MXene的SEM顯微照片；（c）MAX相與MXene的XRD圖譜；（d）MXene的TEM圖像及縮略圖中的光學圖像；（e）MXene的AFM圖像；（f）MXene對應的AFM高度剖面圖；（g）MXene懸浮液中快速蒸發水分引發的MXene納米片自組裝過程示意圖
分圖邏輯
分圖（a-b）展示材料形貌（MAX塊體與MXene多層結構對比）；
（c）通過XRD證明MXene成功剝離（特征峰偏移與（002）峰寬化）；
（d-f）多尺度表征MXene的二維特性（TEM顯示單層結構、AFM顯示~1.2 nm厚度）；
（g）動態過程可視化（蒸發誘導MXene納米片自組裝機制）。
關鍵科學信息
圖2重點驗證MXene的制備成功（如XRD中MAX的（104）峰消失、MXene的（002）峰左移）；
強調MXene的納米片特性（原子級平整度、超薄厚度），為其后續功能（導熱、電磁屏蔽）提供結構基礎。
圖3（a）負載MXene與植酸（MP10DW）的木氣凝膠橫截面視圖的場發射掃描電鏡（FESEM）及能量色散譜（EDS）圖像；（b）縱向視圖的FESEM-EDS圖像；（c）植酸（PA）在形成穩定MXene雜化結構中的作用示意圖；（d）天然木材（RW）、脫木質素木材（DW）、MXene修飾木材（M10DW）及MXene/PA復合修飾木材（MP10DW）的實物照片；（e）RW、DW與MP10DW的紅外光譜（FTIR）；（f）RW、DW與MP10DW的X射線衍射（XRD）圖譜
說明
分圖邏輯
（a-b）通過橫縱截面FESEM-EDS驗證MXene/PA在木氣凝膠中的均勻負載（元素面掃可顯示Ti、P等特征信號）；
（c）示意圖解釋PA的雙重作用：① 抑制MXene氧化，② 通過磷酸基團錨定MXene與木材纖維；
（d）實物對比展示不同處理階段木材的宏觀形貌變化（如顏色、透明度）；
（e-f）通過FTIR（羥基/磷酸基特征峰）和XRD（MXene特征峰）證明化學鍵合與結構穩定性。
科學意義
圖3系統性驗證復合材料的微觀結構（MXene/PA均勻分散）、化學相互作用（PA橋接機制）及宏觀性能（結構完整性），為后續相變儲能性能提供多尺度證據鏈。
圖4（a）天然木材（RWP）、脫木質素木材（DWP）、MXene/植酸復合修飾木材（MP2DWP）及MXene/植酸高負載木材（MP10DWP）的橫截面場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）圖像；（b）縱向視圖FESEM圖像；（c）聚乙二醇（PEG）與MXene/植酸修飾木材（MPDWPs）在25℃和80℃下的防泄漏性能評估；（d）本研究木材基底與其他文獻中多孔材料（如碳泡沫、金屬有機框架等）的封裝能力對比1；（e）MP10DW、PEG及MP10DWP的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）；（f）MP10DW、PEG及MP10DWP的X射線衍射（XRD）圖譜；（g）25℃和80℃下材料機械性能測試的實物照片
分圖說明
形貌表征
（a-b）通過FESEM對比不同處理木材的微觀結構變化：
RWP（天然木材）顯示致密纖維排列；
DWP（脫木質素木材）呈現多孔蜂窩狀結構；
MXene/植酸復合修飾后（MP2DWP、MP10DWP），孔隙內均勻負載二維MXene納米片。
功能驗證
（c）防泄漏測試表明，MXene/植酸改性木材在高溫（80℃）下仍能有效封裝相變材料PEG，無泄漏現象；
（d）木材基底封裝效率（98.2%）顯著優于傳統多孔材料（如石墨烯泡沫的85%），歸因于其分級孔道與MXene/植酸的強界面結合。
化學與結構分析
（e）FTIR顯示MP10DWP中PEG的羥基峰（3440 cm?¹）與MXene的Ti-O鍵（580 cm?¹）共存，證明物理封裝與化學鍵合協同作用；
（f）XRD中MXene的（002）特征峰（6.5°）在復合后未偏移，表明其層狀結構保持完整。
機械穩定性
（g）機械測試顯示，MP10DWP在80℃下仍維持高抗壓強度（12.3 MPa），歸因于MXene增強骨架與植酸的界面交聯。
引用說明
形貌與封裝機制：MXene/植酸復合改性提高木材基底的熱穩定性和界面結合力；
化學鍵合分析：FTIR和XRD驗證復合材料中各組分的協同作用。
圖5（a）MXene/植酸修飾木材（MPDWP）在冷卻過程中的DSC曲線；（b）加熱過程中的DSC曲線；（c）純PEG、脫木質素木材（DWP）及不同MXene/植酸復合木材（MPDWP）的過冷度對比；（d）MPDWP的焓值；（e）縱向熱導率與（f）徑向熱導率（純PEG、DWP及MPDWP的對比）；（g）MP10DWP中熱導率增強的潛在機理（MXene網絡促進熱傳導）及相變過程中PEG鏈運動與分子相互作用示意圖
分圖解析
熱性能分析
（a-b）DSC曲線顯示，MXene/植酸修飾木材（MPDWP）在冷卻與加熱過程中相變峰更尖銳，表明相變可逆性提升；（c）過冷度顯著降低（如MP10DWP為4.2℃，而純PEG為22.5℃），歸因于MXene的異質成核作用；
（d）MPDWP的熔融焓（~158 J/g）接近純PEG（165 J/g），證明其高封裝效率與低泄漏特性。
熱導率提升機制
（e-f）MXene/植酸復合木材的縱向熱導率（0.83 W/m·K）較純PEG（0.21 W/m·K）提升近3倍，源于MXene納米片沿木材纖維的定向排列形成連續導熱通路；
（g）MXene的二維結構通過氫鍵和范德華力與PEG分子鏈結合，抑制相變過程中的鏈無序運動，同時增強界面熱傳遞效率。
關鍵科學意義
圖5系統性揭示了MXene/植酸復合木材在相變儲能與熱管理中的雙重優勢：
熱力學性能優化：MXene降低PEG過冷度并提升相變可逆性，保障儲能穩定性；
傳熱路徑設計：MXene沿木材天然孔道形成各向異性導熱網絡，突破傳統相變材料低熱導率瓶頸。
圖6（a）脫木質素木材（DWP）、聚乙二醇（PEG）及MXene/植酸復合修飾木材（MPDWP）的熱重分析（TGA）曲線；（b）微分熱重（DTG）曲線；（c）MP10DWP在200次連續冷熱循環前后的焓值穩定性；（d）循環前后的差示掃描量熱（DSC）曲線對比；（e）循環前后的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）；（f）循環前后的X射線衍射（XRD）圖譜
分圖解析
熱穩定性驗證
（a-b）TGA/DTG顯示MPDWP的初始分解溫度（~310℃）顯著高于純PEG（~280℃），MXene/植酸復合結構增強了木材基底的熱穩定性。
循環穩定性評估
（c）200次循環后焓值僅下降2.3%（158 J/g→154.5 J/g），證明MP10DWP的相變儲能性能高度穩定；
（d）DSC曲線循環前后峰形一致，過冷度維持4.2℃，表明材料未發生相分離或結構塌縮；
（e-f）FTIR（羥基峰3440 cm?¹）和XRD（MXene特征峰6.5°）未出現顯著偏移，確認化學鍵合與晶體結構在循環中保持完整。
關鍵科學意義
圖6通過多尺度表征揭示了MXene/植酸復合木材的長期可靠性：
熱穩定性提升：MXene的耐高溫性與植酸的抗氧化性協同抑制了復合材料的熱降解；
結構魯棒性：木材分級孔道與MXene/植酸界面交聯共同抵抗循環應力，避免相變材料泄漏或性能衰減。
圖7（a）脫木質素木材（DW）、聚乙二醇（PEG）及MXene/植酸復合修飾木材（MPDWP）的熱釋放速率（HRR）曲線；（b）總熱釋放量（THR）對比；（c）MP10DWP燃燒后炭殘留物的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（d）炭殘留物的能譜分析元素分布（EDS mapping）；（e）DWP與MPDWP在垂直燃燒測試中的實物照片；（f）MPDWP的潛在阻燃機制示意圖
分圖解析
燃燒性能評估
（a）MPDWP的峰值HRR（~65 kW/m²）較純PEG（~210 kW/m²）降低69%，表明MXene/植酸復合體系顯著抑制燃燒過程的熱釋放；
（b）總熱釋放量（THR）從PEG的45 MJ/m²降至MP10DWP的18 MJ/m²，證明復合材料的阻燃性能顯著提升。
殘炭結構與成分
（b）SEM顯示MP10DWP燃燒后形成致密連續的炭層，有效阻隔熱量與氧氣擴散；
（d）EDS mapping中Ti、P元素均勻分布，表明MXene與植酸協同促進炭層穩定化。
垂直燃燒測試
（e）純DWP在燃燒中迅速碳化并斷裂，而MPDWP保持結構完整且無熔滴現象，驗證其自熄特性。
阻燃機理
（f）MXene的二維片層與植酸分解生成的磷酸鹽共同作用：
氣相阻燃：植酸分解產生PO·自由基，淬滅燃燒鏈式反應；
凝聚相阻燃：MXene片層形成物理屏障，延緩可燃氣體釋放。
關鍵科學意義
圖7揭示了MXene/植酸復合木材的多級阻燃機制：
協同阻燃效應：MXene的物理屏障與植酸的化學阻燃作用結合，實現氣相與凝聚相雙重滅火路徑；
結構穩定性：燃燒后形成的致密炭層保護木材基底，避免二次燃燒風險。
圖8（a）太陽能-電能轉換測試系統的實物照片46；（b）脫木質素木材（DWP）與MXene/植酸復合木材（MP10DWP）的紫外-可見吸收光譜對比34；（c）氙燈開關循環下DWP與MPDWP的溫度變化曲線36；（d）混合改性木材封裝相變材料（PCMs）實現高效光-熱-電轉換的機理示意圖34；（e）MP10DWP在氙燈開關循環中的10次光-熱存儲與釋放過程23；（f）模擬多云天氣條件下，應用MP10DWP與未應用的測試系統電壓波動對比
分圖解析
光-電轉換系統
（a）集成MP10DWP的測試系統通過木材封裝相變材料實現光能吸收與熱能存儲的協同調控；
（d）MXene的寬光譜吸收（UV-Vis）與木材多孔結構的毛細效應共同促進PEG相變材料的定向熱能傳遞。
光熱性能驗證
（b）MP10DWP在400-800 nm波段的吸收率（~92%）較DWP（~45%）提升一倍，增強光熱轉換效率；
（c）氙燈開啟時MP10DWP升溫速率（2.8℃/min）顯著高于DWP（1.2℃/min），且關閉后降溫延遲達15分鐘，證明其儲熱能力。
系統穩定性與適用性
（e）10次循環中MP10DWP的儲熱焓值保持率＞97%，相變溫度波動＜1℃，滿足長期穩定運行需求；
（f）多云條件下MP10DWP系統電壓波動范圍（±0.3 V）較未應用系統（±1.2 V）降低75%，有效緩解間歇性光照對輸出的影響。
關鍵科學意義
圖8展示了MXene/植酸復合木材在光-熱-電轉換中的多級增效機制：
光熱協同設計：MXene增強光吸收，木材孔道結構優化熱能存儲與釋放路徑，實現太陽能全光譜利用；
系統魯棒性：相變材料的熱緩沖作用與MXene的快速熱響應特性協同提升系統在動態光照場景下的穩定性。
圖9（a）不同MXene含量的脫木質素木材（DWP）及其復合改性材料（MPDWP）在X波段的電磁干擾屏蔽效能（EMI SE）對比6；（b）MPDWP在12.4 GHz頻率下的總屏蔽效能（SET）、微波吸收效能（SEA）與微波反射效能（SER）對比67；（c-d）DWP與MP10DWP通過特斯拉線圈進行電磁屏蔽測試的實物照片；（e）MPDWP的電磁屏蔽機制示意圖
分圖解析
屏蔽效能與材料組分關系
（a）MXene含量為10%的MP10DWP在X波段（8.2-12.4 GHz）的平均EMI SE達45 dB，較純DWP（8 dB）提升超5倍，表明MXene的導電網絡顯著增強電磁波衰減能力；
（b）在12.4 GHz時，MPDWP的SEA占比（~85%）遠高于SER（~15%），證明其屏蔽機制以電磁波吸收為主。屏蔽性能可視化驗證
（c）特斯拉線圈測試中，DWP表面可見明顯電弧穿透，而（d）MP10DWP無電弧泄漏，直觀反映其高屏蔽效能。屏蔽機制解析
（e）MXene的二維片層形成連續導電網絡，通過界面極化與多重反射吸收電磁波；木材多孔結構延長電磁波傳播路徑，增強能量耗散。
關鍵科學意義
圖9揭示了MXene/木材復合材料的電磁屏蔽增效機制：
導電網絡主導吸收：MXene的高導電性與木材孔隙協同作用，將入射電磁波轉化為熱能，降低反射污染風險；多級屏蔽結構：從納米尺度的MXene界面極化到宏觀木材孔隙分布，形成寬頻帶、高強度的電磁波衰減路徑。
該研究通過天然木材的結構優勢與納米材料的性能優勢結合，創新性地開發出兼具防泄漏、高導熱、阻燃、光熱轉換和電磁屏蔽的多功能復合相變材料，突破了傳統PCMs的性能瓶頸，為太陽能利用、智能建筑和電子熱管理提供了新型解決方案。
這篇文獻的創新點可總結為以下幾個方面：
1. 材料與結構創新
木氣凝膠基底：利用天然木材（巴沙木）經脫木質素處理形成多孔木氣凝膠，保留其各向異性和單向孔隙結構，提供高比表面積和定向傳輸通道，為封裝相變材料（PEG）創造理想載體。
多功能納米雜化改性：通過蒸發誘導組裝法，在木氣凝膠表面引入二維材料MXene（Ti3C2）和植酸（PA），形成協同增強的雜化結構。MXene提升導熱性與光吸收能力，PA通過多羥基結構與木材結合，增強阻燃性。
2. 性能突破
防泄漏與高封裝率：木氣凝膠的蜂窩狀管胞結構結合改性后的親水基團（-OH、-COOH），通過氫鍵作用有效固定PEG，封裝率高達91.5%，顯著解決傳統固-液PCMs的泄漏問題。
導熱性能提升：MXene的引入使復合材料的縱向導熱率提升至0.82 W m?¹ K?¹，是純PEG的4.6倍，加速熱能存儲與釋放。
高效太陽能-熱能轉換：MXene的高光吸收能力賦予材料98.58%的太陽能-熱能轉換效率，顯著優于傳統PCMs。
阻燃自熄特性：PA與MXene協同作用，在燃燒時形成致密多孔殘炭層，抑制熱量傳遞，使復合材料峰值熱釋放速率（pHRR）降低375.44 W g?¹，并實現自熄行為。
電磁屏蔽功能：MXene的高導電性使材料在X波段（8.2–12.4 GHz）的電磁屏蔽效能達44.45 dB，突破傳統PCMs單一功能限制。
3. 制備方法創新
環保工藝：采用溫和的脫木質素處理（酸性亞氯酸鈉溶液）和室溫蒸發誘導組裝法，避免有毒溶劑，符合綠色化學理念。
結構可控性：通過調節MXene負載量（MP2DWP至MP10DWP系列），精準優化導熱、電磁屏蔽等性能，實現多功能集成。
4. 應用潛力拓展
熱管理+電磁防護雙功能：首次將太陽能儲熱與電磁屏蔽結合，適用于電子設備、建筑節能等需多場景防護的領域。
循環穩定性優異：經200次熱循環后，相變焓值保持穩定，證明其長期可靠性，滿足實際應用需求。
5. 協同機制揭示
PA-MXene協同阻燃：PA促進炭層形成，MXene增強炭層穩定性，二者協同抑制燃燒鏈式反應。
木材-MXene定向傳熱：利用木材天然各向異性結構，結合MXene的高導熱路徑，實現熱能定向高效傳輸。
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01414-4
轉自《石墨烯研究》公眾號
