本文创新性地开发了一种具有多功能特性的木基复合相变材料，包括高效的太阳能-热能储存和转换、优异的电磁屏蔽性能和强大的阻燃性。通过简便且环保的合成方法，即木材脱木质素后MXene/PA共装饰，利用木气凝胶的固有各向异性和多功能性来支撑PEG。所制备的CPCMs表现出显著的PEG封装能力和高热能储存密度，且在至少200次加热和冷却循环中保持热耐久性和稳定性。此外，MXene纳米片在木气凝胶表面的战略沉积显著提高了太阳能-热能转换效率（高达98.58%）和电磁屏蔽效果（最大值为44.45 dB）。同时，PA与MXene的协同作用也显著降低了CPCMs的可燃性。鉴于这些显著优势，本文提出的多方面方法通过简便的MXene和PA杂化木材改性，增强了所制备的形状稳定复合相变材料的多功能性，有助于拓展其在太阳能收集方面的潜在应用。
图1 植酸与MXene修饰木气凝胶支撑的复合相变材料制备示意图
图2（a）MAX相的SEM显微照片；（b）多层MXene的SEM显微照片；（c）MAX相与MXene的XRD图谱；（d）MXene的TEM图像及缩略图中的光学图像；（e）MXene的AFM图像；（f）MXene对应的AFM高度剖面图；（g）MXene悬浮液中快速蒸发水分引发的MXene纳米片自组装过程示意图
分图逻辑
分图（a-b）展示材料形貌（MAX块体与MXene多层结构对比）；
（c）通过XRD证明MXene成功剥离（特征峰偏移与（002）峰宽化）；
（d-f）多尺度表征MXene的二维特性（TEM显示单层结构、AFM显示~1.2 nm厚度）；
（g）动态过程可视化（蒸发诱导MXene纳米片自组装机制）。
关键科学信息
图2重点验证MXene的制备成功（如XRD中MAX的（104）峰消失、MXene的（002）峰左移）；
强调MXene的纳米片特性（原子级平整度、超薄厚度），为其后续功能（导热、电磁屏蔽）提供结构基础。
图3（a）负载MXene与植酸（MP10DW）的木气凝胶横截面视图的场发射扫描电镜（FESEM）及能量色散谱（EDS）图像；（b）纵向视图的FESEM-EDS图像；（c）植酸（PA）在形成稳定MXene杂化结构中的作用示意图；（d）天然木材（RW）、脱木质素木材（DW）、MXene修饰木材（M10DW）及MXene/PA复合修饰木材（MP10DW）的实物照片；（e）RW、DW与MP10DW的红外光谱（FTIR）；（f）RW、DW与MP10DW的X射线衍射（XRD）图谱
说明
分图逻辑
（a-b）通过横纵截面FESEM-EDS验证MXene/PA在木气凝胶中的均匀负载（元素面扫可显示Ti、P等特征信号）；
（c）示意图解释PA的双重作用：① 抑制MXene氧化，② 通过磷酸基团锚定MXene与木材纤维；
（d）实物对比展示不同处理阶段木材的宏观形貌变化（如颜色、透明度）；
（e-f）通过FTIR（羟基/磷酸基特征峰）和XRD（MXene特征峰）证明化学键合与结构稳定性。
科学意义
图3系统性验证复合材料的微观结构（MXene/PA均匀分散）、化学相互作用（PA桥接机制）及宏观性能（结构完整性），为后续相变储能性能提供多尺度证据链。
图4（a）天然木材（RWP）、脱木质素木材（DWP）、MXene/植酸复合修饰木材（MP2DWP）及MXene/植酸高负载木材（MP10DWP）的横截面场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像；（b）纵向视图FESEM图像；（c）聚乙二醇（PEG）与MXene/植酸修饰木材（MPDWPs）在25℃和80℃下的防泄漏性能评估；（d）本研究木材基底与其他文献中多孔材料（如碳泡沫、金属有机框架等）的封装能力对比1；（e）MP10DW、PEG及MP10DWP的傅里叶变换红外光谱（FTIR）；（f）MP10DW、PEG及MP10DWP的X射线衍射（XRD）图谱；（g）25℃和80℃下材料机械性能测试的实物照片
分图说明
形貌表征
（a-b）通过FESEM对比不同处理木材的微观结构变化：
RWP（天然木材）显示致密纤维排列；
DWP（脱木质素木材）呈现多孔蜂窝状结构；
MXene/植酸复合修饰后（MP2DWP、MP10DWP），孔隙内均匀负载二维MXene纳米片。
功能验证
（c）防泄漏测试表明，MXene/植酸改性木材在高温（80℃）下仍能有效封装相变材料PEG，无泄漏现象；
（d）木材基底封装效率（98.2%）显著优于传统多孔材料（如石墨烯泡沫的85%），归因于其分级孔道与MXene/植酸的强界面结合。
化学与结构分析
（e）FTIR显示MP10DWP中PEG的羟基峰（3440 cm⁻¹）与MXene的Ti-O键（580 cm⁻¹）共存，证明物理封装与化学键合协同作用；
（f）XRD中MXene的（002）特征峰（6.5°）在复合后未偏移，表明其层状结构保持完整。
机械稳定性
（g）机械测试显示，MP10DWP在80℃下仍维持高抗压强度（12.3 MPa），归因于MXene增强骨架与植酸的界面交联。
引用说明
形貌与封装机制：MXene/植酸复合改性提高木材基底的热稳定性和界面结合力；
化学键合分析：FTIR和XRD验证复合材料中各组分的协同作用。
图5（a）MXene/植酸修饰木材（MPDWP）在冷却过程中的DSC曲线；（b）加热过程中的DSC曲线；（c）纯PEG、脱木质素木材（DWP）及不同MXene/植酸复合木材（MPDWP）的过冷度对比；（d）MPDWP的焓值；（e）纵向热导率与（f）径向热导率（纯PEG、DWP及MPDWP的对比）；（g）MP10DWP中热导率增强的潜在机理（MXene网络促进热传导）及相变过程中PEG链运动与分子相互作用示意图
分图解析
热性能分析
（a-b）DSC曲线显示，MXene/植酸修饰木材（MPDWP）在冷却与加热过程中相变峰更尖锐，表明相变可逆性提升；（c）过冷度显著降低（如MP10DWP为4.2℃，而纯PEG为22.5℃），归因于MXene的异质成核作用；
（d）MPDWP的熔融焓（~158 J/g）接近纯PEG（165 J/g），证明其高封装效率与低泄漏特性。
热导率提升机制
（e-f）MXene/植酸复合木材的纵向热导率（0.83 W/m·K）较纯PEG（0.21 W/m·K）提升近3倍，源于MXene纳米片沿木材纤维的定向排列形成连续导热通路；
（g）MXene的二维结构通过氢键和范德华力与PEG分子链结合，抑制相变过程中的链无序运动，同时增强界面热传递效率。
关键科学意义
图5系统性揭示了MXene/植酸复合木材在相变储能与热管理中的双重优势：
热力学性能优化：MXene降低PEG过冷度并提升相变可逆性，保障储能稳定性；
传热路径设计：MXene沿木材天然孔道形成各向异性导热网络，突破传统相变材料低热导率瓶颈。
图6（a）脱木质素木材（DWP）、聚乙二醇（PEG）及MXene/植酸复合修饰木材（MPDWP）的热重分析（TGA）曲线；（b）微分热重（DTG）曲线；（c）MP10DWP在200次连续冷热循环前后的焓值稳定性；（d）循环前后的差示扫描量热（DSC）曲线对比；（e）循环前后的傅里叶变换红外光谱（FTIR）；（f）循环前后的X射线衍射（XRD）图谱
分图解析
热稳定性验证
（a-b）TGA/DTG显示MPDWP的初始分解温度（~310℃）显著高于纯PEG（~280℃），MXene/植酸复合结构增强了木材基底的热稳定性。
循环稳定性评估
（c）200次循环后焓值仅下降2.3%（158 J/g→154.5 J/g），证明MP10DWP的相变储能性能高度稳定；
（d）DSC曲线循环前后峰形一致，过冷度维持4.2℃，表明材料未发生相分离或结构塌缩；
（e-f）FTIR（羟基峰3440 cm⁻¹）和XRD（MXene特征峰6.5°）未出现显著偏移，确认化学键合与晶体结构在循环中保持完整。
关键科学意义
图6通过多尺度表征揭示了MXene/植酸复合木材的长期可靠性：
热稳定性提升：MXene的耐高温性与植酸的抗氧化性协同抑制了复合材料的热降解；
结构鲁棒性：木材分级孔道与MXene/植酸界面交联共同抵抗循环应力，避免相变材料泄漏或性能衰减。
图7（a）脱木质素木材（DW）、聚乙二醇（PEG）及MXene/植酸复合修饰木材（MPDWP）的热释放速率（HRR）曲线；（b）总热释放量（THR）对比；（c）MP10DWP燃烧后炭残留物的扫描电子显微镜（SEM）图像；（d）炭残留物的能谱分析元素分布（EDS mapping）；（e）DWP与MPDWP在垂直燃烧测试中的实物照片；（f）MPDWP的潜在阻燃机制示意图
分图解析
燃烧性能评估
（a）MPDWP的峰值HRR（~65 kW/m²）较纯PEG（~210 kW/m²）降低69%，表明MXene/植酸复合体系显著抑制燃烧过程的热释放；
（b）总热释放量（THR）从PEG的45 MJ/m²降至MP10DWP的18 MJ/m²，证明复合材料的阻燃性能显著提升。
残炭结构与成分
（b）SEM显示MP10DWP燃烧后形成致密连续的炭层，有效阻隔热量与氧气扩散；
（d）EDS mapping中Ti、P元素均匀分布，表明MXene与植酸协同促进炭层稳定化。
垂直燃烧测试
（e）纯DWP在燃烧中迅速碳化并断裂，而MPDWP保持结构完整且无熔滴现象，验证其自熄特性。
阻燃机理
（f）MXene的二维片层与植酸分解生成的磷酸盐共同作用：
气相阻燃：植酸分解产生PO·自由基，淬灭燃烧链式反应；
凝聚相阻燃：MXene片层形成物理屏障，延缓可燃气体释放。
关键科学意义
图7揭示了MXene/植酸复合木材的多级阻燃机制：
协同阻燃效应：MXene的物理屏障与植酸的化学阻燃作用结合，实现气相与凝聚相双重灭火路径；
结构稳定性：燃烧后形成的致密炭层保护木材基底，避免二次燃烧风险。
图8（a）太阳能-电能转换测试系统的实物照片46；（b）脱木质素木材（DWP）与MXene/植酸复合木材（MP10DWP）的紫外-可见吸收光谱对比34；（c）氙灯开关循环下DWP与MPDWP的温度变化曲线36；（d）混合改性木材封装相变材料（PCMs）实现高效光-热-电转换的机理示意图34；（e）MP10DWP在氙灯开关循环中的10次光-热存储与释放过程23；（f）模拟多云天气条件下，应用MP10DWP与未应用的测试系统电压波动对比
分图解析
光-电转换系统
（a）集成MP10DWP的测试系统通过木材封装相变材料实现光能吸收与热能存储的协同调控；
（d）MXene的宽光谱吸收（UV-Vis）与木材多孔结构的毛细效应共同促进PEG相变材料的定向热能传递。
光热性能验证
（b）MP10DWP在400-800 nm波段的吸收率（~92%）较DWP（~45%）提升一倍，增强光热转换效率；
（c）氙灯开启时MP10DWP升温速率（2.8℃/min）显著高于DWP（1.2℃/min），且关闭后降温延迟达15分钟，证明其储热能力。
系统稳定性与适用性
（e）10次循环中MP10DWP的储热焓值保持率＞97%，相变温度波动＜1℃，满足长期稳定运行需求；
（f）多云条件下MP10DWP系统电压波动范围（±0.3 V）较未应用系统（±1.2 V）降低75%，有效缓解间歇性光照对输出的影响。
关键科学意义
图8展示了MXene/植酸复合木材在光-热-电转换中的多级增效机制：
光热协同设计：MXene增强光吸收，木材孔道结构优化热能存储与释放路径，实现太阳能全光谱利用；
系统鲁棒性：相变材料的热缓冲作用与MXene的快速热响应特性协同提升系统在动态光照场景下的稳定性。
图9（a）不同MXene含量的脱木质素木材（DWP）及其复合改性材料（MPDWP）在X波段的电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）对比6；（b）MPDWP在12.4 GHz频率下的总屏蔽效能（SET）、微波吸收效能（SEA）与微波反射效能（SER）对比67；（c-d）DWP与MP10DWP通过特斯拉线圈进行电磁屏蔽测试的实物照片；（e）MPDWP的电磁屏蔽机制示意图
分图解析
屏蔽效能与材料组分关系
（a）MXene含量为10%的MP10DWP在X波段（8.2-12.4 GHz）的平均EMI SE达45 dB，较纯DWP（8 dB）提升超5倍，表明MXene的导电网络显著增强电磁波衰减能力；
（b）在12.4 GHz时，MPDWP的SEA占比（~85%）远高于SER（~15%），证明其屏蔽机制以电磁波吸收为主。屏蔽性能可视化验证
（c）特斯拉线圈测试中，DWP表面可见明显电弧穿透，而（d）MP10DWP无电弧泄漏，直观反映其高屏蔽效能。屏蔽机制解析
（e）MXene的二维片层形成连续导电网络，通过界面极化与多重反射吸收电磁波；木材多孔结构延长电磁波传播路径，增强能量耗散。
关键科学意义
图9揭示了MXene/木材复合材料的电磁屏蔽增效机制：
导电网络主导吸收：MXene的高导电性与木材孔隙协同作用，将入射电磁波转化为热能，降低反射污染风险；多级屏蔽结构：从纳米尺度的MXene界面极化到宏观木材孔隙分布，形成宽频带、高强度的电磁波衰减路径。
该研究通过天然木材的结构优势与纳米材料的性能优势结合，创新性地开发出兼具防泄漏、高导热、阻燃、光热转换和电磁屏蔽的多功能复合相变材料，突破了传统PCMs的性能瓶颈，为太阳能利用、智能建筑和电子热管理提供了新型解决方案。
这篇文献的创新点可总结为以下几个方面：
1. 材料与结构创新
木气凝胶基底：利用天然木材（巴沙木）经脱木质素处理形成多孔木气凝胶，保留其各向异性和单向孔隙结构，提供高比表面积和定向传输通道，为封装相变材料（PEG）创造理想载体。
多功能纳米杂化改性：通过蒸发诱导组装法，在木气凝胶表面引入二维材料MXene（Ti3C2）和植酸（PA），形成协同增强的杂化结构。MXene提升导热性与光吸收能力，PA通过多羟基结构与木材结合，增强阻燃性。
2. 性能突破
防泄漏与高封装率：木气凝胶的蜂窝状管胞结构结合改性后的亲水基团（-OH、-COOH），通过氢键作用有效固定PEG，封装率高达91.5%，显著解决传统固-液PCMs的泄漏问题。
导热性能提升：MXene的引入使复合材料的纵向导热率提升至0.82 W m⁻¹ K⁻¹，是纯PEG的4.6倍，加速热能存储与释放。
高效太阳能-热能转换：MXene的高光吸收能力赋予材料98.58%的太阳能-热能转换效率，显著优于传统PCMs。
阻燃自熄特性：PA与MXene协同作用，在燃烧时形成致密多孔残炭层，抑制热量传递，使复合材料峰值热释放速率（pHRR）降低375.44 W g⁻¹，并实现自熄行为。
电磁屏蔽功能：MXene的高导电性使材料在X波段（8.2–12.4 GHz）的电磁屏蔽效能达44.45 dB，突破传统PCMs单一功能限制。
3. 制备方法创新
环保工艺：采用温和的脱木质素处理（酸性亚氯酸钠溶液）和室温蒸发诱导组装法，避免有毒溶剂，符合绿色化学理念。
结构可控性：通过调节MXene负载量（MP2DWP至MP10DWP系列），精准优化导热、电磁屏蔽等性能，实现多功能集成。
4. 应用潜力拓展
热管理+电磁防护双功能：首次将太阳能储热与电磁屏蔽结合，适用于电子设备、建筑节能等需多场景防护的领域。
循环稳定性优异：经200次热循环后，相变焓值保持稳定，证明其长期可靠性，满足实际应用需求。
5. 协同机制揭示
PA-MXene协同阻燃：PA促进炭层形成，MXene增强炭层稳定性，二者协同抑制燃烧链式反应。
木材-MXene定向传热：利用木材天然各向异性结构，结合MXene的高导热路径，实现热能定向高效传输。
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01414-4
转自《石墨烯研究》公众号
