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  通過加熱供暖使人體溫度保持相對恒定對于人體熱舒適以及各種人體功能的正常運行至關重要。目前，室內供暖耗能約占全球能源消耗的47%。但傳統的加熱供暖形式（空調、集中供暖、燃煤取暖）能耗高且能源利用率低，大量能源浪費在加熱無生命特征的空間和物體上，加劇了全球能源危機和氣候變暖。開發高效節能并能精準加熱人體的供暖系統和材料對于緩解能源危機和氣候變暖具有重要意義。

  人體發射的中紅外熱輻射（波長7-14 μm）約占人體熱量損失的50%。傳統紡織品的紅外發射率較高，人體產生的大部分熱輻射可以輕松地發射到外界。通過控制可穿戴織物的紅外發射率可以減少紅外熱輻射損失，進而實現零能耗的人體被動輻射加熱。近年來，被動輻射加熱受到越來越多的關注。但除了室內供暖，在戶外保持人體熱舒適同樣重要。然而，由于戶外環境和氣溫等影響因素的不可控，單一的被動輻射加熱模式無法滿足人體在復雜環境下的加熱需求。

  近日，鄭州大學材料學院王建峰副教授和王萬杰教授團隊通過將零能耗的被動輻射加熱模式、節能的太陽能加熱模式和補償型焦耳加熱模式集成到一個可穿戴加熱系統中，展示了一種高效節能的全天候個人精準加熱策略。本文將具有紅外低發射率特性的Ti₃C₂T_x MXene修飾在納米多孔聚乙烯（nanoPE）織物表面，厚度為12 μm的MXene/nanoPE復合織物在7-14 μm的紅外發射率僅為0.176，賦予其優異的室內被動輻射加熱性能，與厚度為576 μm的傳統棉織物相比加熱溫度提高了4.9 ℃。同時，由于MXene具有較高的光熱轉換效率和電導率， MXene/nanoPE復合織物的室外光加熱溫度和電加熱溫度分別達到73.5 ℃和55 ℃（5V），且這三種加熱模式可以輕松切換或任意組合，使得MXene/nanoPE織物能夠在室內/室外、白天/夜晚、晴天/陰天等多種場景下精準加熱人體。此外，MXene/nanoPE織物還表現出優異的可穿戴性能，包括機械強度、透氣性、防風能力、阻燃性、電磁干擾屏蔽、抗菌、速干等，展示了其在個人精準熱管理領域的巨大應用前景。該研究以“Ti₃C₂T_x MXene-Decorated Nanoporous Polyethylene Textile for Passive and Active Personal Precision Heating” 為題發表在最新一期的《ACS Nano》上（DOI:10.1021/acsnano.1c00903）。

圖1. 圖文摘要

圖2. （a）傳統織物和（b）MXene/nanoPE織物覆蓋的人體皮膚上的傳熱示意圖；（c） MXene/ nanoPE織物的制備流程圖；（d）NanoPE和MXene/nanoPE織物的電子圖片。（e）大尺寸MXene/nanoPE織物的電子圖片；（f）NanoPE和（g）MXene/nanoPE織物的SEM圖和水接觸角。

圖3. MXene/nanoPE織物的室內被動輻射加熱性能。

  作者對比了MXene/nanoPE織物與其他織物和薄膜的紅外發射率和室內被動輻射加熱性能。MXene/nanoPE織物在7-14 μm范圍內的發射率僅為0.176，遠低于傳統棉織物（0.931）。此外，在室內被動輻射加熱測試中，厚度僅為12 μm的MXene/nanoPE織物覆蓋的人造皮膚溫度達到了42.1 ℃，高于棉織物的37.2 ℃，實際人體皮膚溫度測試中，MXene/nanoPE織物的輻射加熱性能仍比棉織物高1.6 ℃。將MXene/nanoPE織物放置在人體上，在紅外熱成像中呈現出顏色較暗的現象，進一步說明了其紅外低發射特性和輻射加熱特性。

圖4. MXene/nanoPE織物的室外光加熱性能

  UV-vis-NIR測試表明，MXene/nanoPE織物在太陽光波段有很高的吸收率，在可見光波段（400-780 nm）的吸收率高達0.913。作者分別在晴天和陰天進行了室外光熱實驗，結果表明，MXene/nanoPE織物的光加熱最高溫度可達73.5℃，明顯高于其他織物，證明了MXene/nanoPE織物優異的光熱轉換能力。

圖5. MXene/nanoPE織物的電熱性能和多種模式結合加熱性能。

  同時，MXene/nanoPE織物因其較高的電導率而展現出優異的電加熱性能。對MXene/nanoPE織物施加直流電壓，MXene/nanoPE織物表面溫度迅速增加，在5V時達到了55℃，并在梯度升降電壓實驗中展現了優異的電熱響應性和可調節性。室內外進行的多種模式結合的加熱實驗結果表明，三種加熱模式可進行自由切換，在室內輻射加熱和電熱模式結合的加熱實驗中，最高溫度達到了74.4℃，在室外三種模式結合加熱實驗中，最高溫度超過了90℃。在長時間測試中，調節電壓可以有效的對加熱能力進行補償以滿足不同場景加熱需求（如光照減弱等）。一維穩態傳熱模型分析結果表明，MXene/nanoPE織物的輻射加熱能力與織物內、外表面的紅外發射率有關，其中外表面發射率的影響更大。在引入光熱和焦耳熱后，凈輻射熱流值有明顯提升，加熱能力明顯提高，與實際實驗結果相一致。

圖6. MXene/nanoPE織物的可穿戴性能。

  水汽透過率、防風、拉伸、水洗浸泡、速干、電磁干擾屏蔽、阻燃和抗菌等測試結果表明， MXene/nanoPE復合織物具有優異的可穿戴性。

  該論文第一作者為鄭州大學材料學院2019級碩士生石夢科，通訊作者為鄭州大學材料學院王建峰副教授和王萬杰教授。研究得到國家自然科學基金、中國博士后特別資助/面上基金、河南省重點研發與推廣專項、高分子材料工程國家重點實驗室開放課題等項目支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00903