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  近日，北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院汪曉東教授/劉歡副教授團(tuán)隊(duì)在《Nano-Micro Letters》（IF= 31.6）期刊在線發(fā)表題為《Multi-Energy Conversion and Electromagnetic Shielding Enabled by Carbonized Polyimide/Kevlar/Graphene Oxide@ZIF-67 Bidirectional Complex Aerogel-Encapsulated Phase Change Materials》的研究論文。

  傳統(tǒng)能源材料在能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨功能單一、轉(zhuǎn)換效率低下的技術(shù)瓶頸，難以滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)高效、可持續(xù)能源系統(tǒng)的迫切需求。相變材料因其獨(dú)特的相變潛熱特性與多物理場(chǎng)耦合能力，為解決上述問(wèn)題提供了新思路。其在相變過(guò)程中可高效吸收、釋放大量能量，同時(shí)維持溫度穩(wěn)定，從而顯著提升能源系統(tǒng)的能量密度與轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)復(fù)合設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)調(diào)控，相變材料能實(shí)現(xiàn)多功能協(xié)同轉(zhuǎn)換，為工業(yè)余熱回收、智能電子設(shè)備熱管理、綠色建筑、人體熱療等領(lǐng)域帶來(lái)革命性變革。因此深入研究相變材料多重能量轉(zhuǎn)換方式、機(jī)理與應(yīng)用，不僅對(duì)推動(dòng)能源材料的高效化與多功能化具有重要科學(xué)價(jià)值，更為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

  該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性的采用碳化聚酰亞胺/凱夫拉纖維/氧化石墨烯@ZIF-67復(fù)合氣凝膠（C/RGO@CoNC氣凝膠）作為支撐骨架，結(jié)合石蠟相變材料，構(gòu)建出具有太陽(yáng)能-熱能、熱電、電熱、磁熱轉(zhuǎn)換和電磁屏蔽功能“五合一”功能的相變復(fù)合材料。所開(kāi)發(fā)的相變復(fù)合材料的太陽(yáng)能-熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.1%，電導(dǎo)率達(dá)到232.8 S m^-1，潛熱容量高達(dá)209.2 J g^-1，飽和磁化率達(dá)到18.61 emu g^-1。該相變復(fù)合材料不僅具有優(yōu)異的太陽(yáng)能-熱能、熱電、電熱和磁熱能量轉(zhuǎn)換性能，而且在X波段的電磁干擾屏蔽效果高達(dá)66.2 dB；同時(shí)該工作也詳細(xì)分析了實(shí)現(xiàn)多重能量轉(zhuǎn)換能力的和電磁屏蔽的機(jī)制。這種“碳質(zhì)氣凝膠+相變材料”設(shè)計(jì)的巧妙獨(dú)特之處在于它實(shí)現(xiàn)了多種能量轉(zhuǎn)換路徑的優(yōu)化和電磁屏蔽性能的協(xié)同提升。該團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的多功能相變復(fù)合材料為清潔能源儲(chǔ)存和高效能源利用提供了新的解決方案，多能性的設(shè)計(jì)不僅推動(dòng)了先進(jìn)功能材料的研究，還為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展提供了重要借鑒。

圖1 多重能量轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與電磁屏蔽功能概念圖

圖2（a）C/RGO@CoNC碳質(zhì)復(fù)合氣凝膠基相變復(fù)合材料的多能量轉(zhuǎn)換和電磁屏蔽功能示意圖。（b）PI/KNF/GO@ZIF-67和C/RGO@CoNC氣凝膠的制備策略和機(jī)理。

圖3 (a) PI/KNF/GO-20氣凝膠、(b) PI/KNF/GO-20@ZIF-67氣凝膠、(c) C/RGO-20@CoNC氣凝膠不同方向SEM圖。（d,e） C/RGO-20@CoNC氣凝膠的高分辨率TEM圖，(f) SAED圖，(g) 元素映射圖。(h-i) C/RGO-20@CoNC氣凝膠XPS光譜和拉曼光譜。

圖4碳化的氣凝膠相變復(fù)合材料的（a）太陽(yáng)光-熱轉(zhuǎn)換機(jī)理圖、（b）熱電轉(zhuǎn)換示意圖、（c）電熱轉(zhuǎn)換機(jī)理圖、（d）磁熱轉(zhuǎn)換機(jī)理圖和（e）復(fù)合材料用于兩部手機(jī)之間藍(lán)牙連接的電磁干擾屏蔽實(shí)驗(yàn)數(shù)字圖像和電磁屏蔽機(jī)制圖。

  北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的博士生史濤為論文的第一作者，汪曉東教授和劉歡副教授為論文的通訊作者，該研究得到了北京市自然科學(xué)基金的支持。

  在過(guò)于的2024年中，汪曉東教授團(tuán)隊(duì)在相變材料多功能化設(shè)計(jì)制備及多目標(biāo)應(yīng)用研究領(lǐng)域中取得了一系列顯著成果，其中所獲基于三明治結(jié)構(gòu)的氟化聚酰亞胺氣凝膠/石蠟相變復(fù)合材料在高溫梯度熱防護(hù)和透波中的應(yīng)用成果發(fā)表在Advanced Science上（2024, 12, 2411758; https://doi.org/10.1002/advs.202411758）；基于聚酰亞胺氣凝膠三明治結(jié)構(gòu)相變復(fù)合材料在高溫長(zhǎng)時(shí)間紅外熱隱身及熱調(diào)控中的應(yīng)用成果發(fā)表在Advanced Functional Materials上（2024, 34, 2309269; https://doi.org/10.1002/adfm.202309269）；基于相變材料3D打印太陽(yáng)能蒸發(fā)器在海水淡化中的應(yīng)用成果發(fā)表在Advanced Functional Materials上（2024, 34, 2316504; https://doi.org/10.1002/adfm.202316504）；基于冠醚修飾相變材料微膠囊在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)鹽湖水淡化和銫離子同步收集的應(yīng)用成果發(fā)表在Advanced Functional Materials上（2024, 34, 2408269; https://doi.org/10.1002/adfm.202408269）；基于聚乙二醇-聚膦腈固-固相變材料MXene膜整合體的多功能化應(yīng)用成果發(fā)表在Small上（2024, 2407626；https://doi.org/10.1002/smll.202407626）；上述研究成果相變材料在多領(lǐng)域推廣應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)和開(kāi)發(fā)思路。

  論文信息：Tao Shi, Xing Gao, Huan Liu* and Xiaodong Wang*. Multi-Energy Conversion and Electromagnetic Shielding Enabled by Carbonized Polyimide/Kevlar/Graphene Oxide@ZIF-67 Bidirectional Complex Aerogel-Encapsulated Phase Change Materials. Nano-Micro Letters, 2025, 17: 235 (DOI: 10.1007/s40820-025-01761-w).

  原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01761-w