化學與材料科學 - 北科大王戈、北師大陳曉《ACS Nano》綜述：相變材料「相遇」氣凝膠

氣凝膠具有超輕、超高孔隙率、超高比表面積、可調節的熱/電導率和機械柔韌性等特點，有望成為有效封裝相變材料的理想載體材料。新型氣凝膠複合相變材料具有高能量存儲密度，被認為是一種先進的熱能存儲技術。更吸引人的是，相變材料與氣凝膠的巧妙結合，加速了先進多功能複合相變材料的發展，如機械柔韌性、形狀記憶、熱紅外隱身、阻燃、吸波等功能，這些先進功能為相變材料提供了創新的應用平台，如可穿戴熱管理、溫度調節紡織品和智能抓取器等。

近日，北京科技大學王戈&北京師範大學陳曉等人系統地總結了高性能和多功能氣凝膠基複合相變材料的最新進展，特別強調了先進的多功能性，例如光-熱、電-熱、聲-熱和光-熱-電等能量轉換策略、柔韌性、阻燃性、形狀記憶、熱紅外隱身、智能抓取器和吸波等功能。系統闡明了不同種類氣凝膠在複合相變材料中的多功能作用以及它們的結構和熱物理性質之間的關係，此外還展示了氣凝膠和3D打印技術的跨學科研究進展，這有助於開創更前沿的功能複合相變材料。該綜述以「Aerogels Meet Phase Change Materials: Fundamentals, Advances, and Beyond」為題發表在《ACS Nano》上。

圖1各種氣凝膠基複合相變材料及先進多功能應用

圖2近年來氣凝膠基複合相變材料的主要進展

1. 碳氣凝膠基複合相變材料

碳氣凝膠通常具有連續的三維網絡結構，由相互連接的膠態碳粒子或聚合物碳鏈組成，可以在納米尺度上控制和調節。根據前驅體的類型，碳氣凝膠可分為三類:酚醛樹脂源碳氣凝膠、碳納米管和石墨烯源碳氣凝膠和生物質源碳氣凝膠，通過有機氣凝膠的熱解或前驅體的自組裝路線生產。碳基氣凝膠具有氣凝膠的所有結構特性，還具有導電能力。由於其具有超高孔隙率、超低密度和大比表面積等獨特優勢，在設計用於相變材料的封裝支撐材方面引起了廣泛的研究興趣。碳氣凝膠的高孔隙率有利於提高相變材料的高負載量，確保複合相變材料的高儲熱能力，通過強大的毛細力防止融化的相變材料泄漏。同時，碳氣凝膠的高度互聯的三維導熱框架改善了相變材料固有的低導熱率，提高了熱響應速度。此外，碳氣凝膠複合相變材料由於其優越的太陽捕獲能力和高導電性被認為是十分有前途的光-熱和電-熱能量轉換和存儲候選材料。

2. 硅氣凝膠基複合相變材料

近年來，二氧化硅氣凝膠由於其孔隙率大、比表面積大，被用於作為支撐材料，以保持相變材料的形狀穩定性，防止相變過程中的泄漏。利用二氧化硅氣凝膠的超低導熱係數和相變材料的高儲熱能力，二氧化硅氣凝膠基複合相變材料在熱防護方面具有很大的應用潛力。

3. 聚合物氣凝膠基複合相變材料

聚合物氣凝膠由於具有超低導熱係數、超輕密度、高孔隙率、優良的力學性能和靈活的分子設計等特性，已成為具有競爭力的儲能支撐材料。

3.1纖維素氣凝膠基複合相變材料

環境問題促使研究人員利用天然生物基材料開發先進材料和應用。從纖維素納米纖維（CNFs）、纖維素納米晶體（CNCs）或細菌纖維素（BC）中提取的纖維素氣凝膠，因資源豐富、生物降解性好、易降解和環境友好而受到廣泛關注。纖維素氣凝膠既具有傳統氣凝膠的輕質、高孔隙率和大比表面積，又具有纖維素本身的優良性能（良好的生物相容性和可降解性，高機械強度）。最值得注意的是，纖維素氣凝膠具有誘人的機械性能，如高壓縮強度和優異的柔韌性。纖維素氣凝膠與相變材料的智能集成可以生產先進的柔性多功能複合相變材料。

3.2合成聚合物氣凝膠基複合相變材料

合成聚合物氣凝膠結合了氣凝膠的優點和聚合物工藝路線（聚乙烯醇、聚丙烯和聚酰亞胺等）的便利，在開發柔性、紅外隱身、形狀記憶和熱保護等先進多功能複合相變材料方面具有很好的應用前景。

4. 其他氣凝膠基複合相變材料

4.1金屬氣凝膠基複合相變材料

金屬氣凝膠是由金屬納米材料製成的三維多孔材料，它們結合了氣凝膠的多孔特性和某些金屬的典型特性。使用金屬氣凝膠來改善相變材料性能的一個關鍵動機是由於其極高的固有熱導率和導電性。

4.2氮化硼氣凝膠基複合相變材料

六方氮化硼（h-BN）結構與石墨相似，又稱白石墨，具有優良的電絕緣性能、高導熱係數、高熱穩定性和抗氧化性。與碳基納米填料增強相變材料的導熱和導電性能不同的是氮化硼在提高相變材料高導熱性能的同時賦予相變材料更高的電絕緣性能，因此，將相變材料滲透到BN氣凝膠中將有助於製備高導熱但絕緣的複合相變材料，有望用於微電子器件熱管理。

4.3 MXenes氣凝膠基複合相變材料

MXenes是由MAX相或層狀六方碳化物和氮化物衍生而來的二維材料，自Gogotsi於2011年創造性地合成MXenes以來，它在基礎理論和工程應用領域引發了各種新興的研究熱點。近年來，MXenes憑藉其優異的電磁波吸收、局域表面等離子體共振效應（LSPR）和層間結構表現出突出的光熱轉換性能，已成為相變材料有效利用太陽能的優良支撐材料。