研究背景

相变材料(Phase change materials, PCMs)能够在等温相变过程中实现能量的储存和利用，在太阳能储热技术中得到广泛应用。然而，液相泄漏、低导热性和光吸收不足问题阻碍了相变材料的发展。因此，设计三维多孔光吸收载体，以此为载体高效匹配相变材料，进而构筑高封装率-高导热系数-高光热存储效率的相变复合材料，对于推动太阳能相变储热技术的发展具有重要意义。

文章要点

本文开发了一种基于碳化三聚氰胺泡沫(Carbonized melamine foam, CMF)的双金属沸石咪唑盐框架(Zeolitic imidazolate framework, ZIF)衍生的分层网络结构，研究了碳化ZIF形貌对相变复合材料封装和光热转换性能的影响。采用原位生长的方法，通过调控聚乙烯吡咯烷酮和液相反应温度，将具有不同形貌的结构组装到MF骨架上。随后通过高温碳化工艺，生成由ZIF衍生碳层与CMF三维碳骨架相结合的分层碳网络(CMF@Co-N/C)。封装相变材料(Paraffin wax, PW)后，相变复合材料实现了封装性能、导热性能和光热转换性能的同步提升。CMF@Co-N/C利用强大的毛细力和π-π相互作用有效防止液相泄露，确保95.71%的高尺寸维持率和220.90 J/g的相变焓。此外，CMF@Co-N/C的三维连续结构演变为宏观导热途径，并且金属Co纳米颗粒和氮元素掺杂进碳骨架中，有效改善了低热导性缺陷，相变复合材料的热导率提升了100%。通过强化多次光散射和捕获、氮掺杂缺陷碳和Co纳米粒子LSPR效应的协同作用，相变复合材料的光热转换效率高达93.65%。本工作将为先进太阳能相变储热技术的开发提供有益借鉴。

图文展示

图1. CMF@Co-N/C/PW复合PCMs的合成示意图。由于CMF@Co-N/C多级孔碳泡沫，复合PCMs具有良好的封装性能、热能储存和光热转换性能。

图2. (a) CMF和CMF@Co-N/C的形貌示意图；(b, b’) CMF, (c, c’) CMF@Co-N/C-F, (d, d’) CMF@Co-N/C-B, (e, e’) CMF@Co-N/C-N的微观形貌；(f) CMF@Co-N/C-B的EDS元素映射图。

图3. (a-c) CMF@Co-N/C/PW的SEM图像；PW、CMF/PW和CMF@Co-N/C/PW 的(d) 恒压加热时的尺寸维持率曲线和(e) 80 ℃时的尺寸维持率参数；(f) 防泄漏机理示意图。

图4. PW、CMF/PW和CMF@Co-N/C/PW 的(a-b) 加热和冷却过程的DSC曲线，(c) 潜热值和(d) 相变温度；(e) CMF@Co-N/C-F/PW在加热冷却循环测试获得的DSC图和(f) DSC数据；(g) PCMs的热能吸收/释放示意图；PW、CMF/PW和CMF@Co-N/C/PW 的(h) FTIR光谱，(i)XRD谱图。

图5. (a) 样品的光吸收光谱分析；(b) 有光照和无光照条件下样品表面温度波动曲线；(c) 样品的光热转换效率值；(d) CMF/PW和CMF@Co-N/C/PW的红外热成像图；(e)参照以往研究的热焓值与光热转换效率比较图；(f) CMF@Co-N/C/PW光热转换和热能储存机理示意图。

本工作以“Hierarchical carbon foams with tunable MOF nanostructure for improving solar-thermal conversion performance of phase change materials”为题发表在材料类2区期刊《Carbon》(IF:10.5)上。论文的第一作者为西南交通大学2023级硕士生唐子承，通讯作者为西南交通大学化学学院祁晓东副教授和王勇教授。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622325001770

王勇，教授，博士生导师，德国洪堡学者，主要从事结构/功能一体化先进高分子复合材料的研究。主持国家自然科学基金(6项)、教育部新世纪优秀人才基金、四川省青年科技创新团队、四川省科技厅重大成果转化项目、四川省杰出青年基金、四川省自然科学基金重点项目等项目30余项；在Prog. Poly. Sci.、Nano-Micro Lett.、Macromolecules等期刊发表论文300余篇，他引10000余次；以副主编身份出版教指委规划教材1本，参编英文专著1部；授权发明专利24件。研究成果获得2021年度四川省技术发明二等奖、2018年度四川省自然科学二等奖、2006年度全国百篇优秀博士论文提名论文等。

   祁晓东，副教授，硕士生导师。2017年毕业于四川大学高分子科学与工程学院，同年进入西南交通大学工作。主要从事聚合物基相变储能材料的研究，主持国家自然科学基金青年基金、四川省自然科学基金面上项目、四川省科技厅重点研发项目等10余项；以第一作者或通讯作者发表30余篇SCI论文，相关成果发表在Prog. Poly. Sci.、Nano-Micro Lett等，单篇最高被引308次，ESI高被引论文3篇；授权国家发明专利5项，撰写英文专著章节1章，获得2021年度四川省技术发明奖二等奖，入选2022~2024年度斯坦福全球前2%科学家榜单。