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北化汪曉東&劉歡團隊：相變儲能材料應用技術新突破，雙向復合氣凝膠封裝相變材料實現多重能量轉換與電磁屏蔽

文章來源：新能源網更新時間：2025-09-17 14:56:18

研究背景

傳統能源材料在能量轉換與存儲領域長期面臨功能單一、轉換效率低下的技術瓶頸，難以滿足現代社會對高效、可持續能源系統的迫切需求。相變材料因其獨特的相變潛熱特性與多物理場耦合能力，為解決上述問題提供了新思路。其在相變過程中可高效吸收、釋放大量能量，同時維持溫度穩定，從而顯著提升能源系統的能量密度與轉換效率。通過復合設計與結構調控，相變材料能實現多功能協同轉換，為工業余熱回收、智能電子設備熱管理、綠色建筑、人體熱療等領域帶來革命性變革。因此深入研究相變材料多重能量轉換方式、機理與應用，不僅對推動能源材料的高效化與多功能化具有重要科學價值，更為實現“雙碳”目標下的能源結構轉型提供了關鍵技術支撐。

1. 技術創新：本研究開發了一種具有雙向層狀結構的碳化聚酰亞胺纖維/凱夫拉纖維/氧化石墨/ZIF-67復合氣凝膠，并將其與石蠟相變材料整合，成功開發出一種具備“五合一”多重能量轉換和電磁屏蔽功效的相變復合材料，可應用于磁熱、電熱、光熱及熱電能量轉換，同時具備電磁屏蔽功能。

2. 性能飛躍：利用高溫碳化技術獲得了具有雙向多孔結構和強韌骨架的碳化氣凝膠，并使該氣凝膠骨架上的氧化石墨烯和ZIF-67轉化為高導熱導電的還原氧化石墨烯和具有超順磁性的鈷氮摻雜碳化物，增強了氣凝膠的光子和電子傳輸能力，提升了其太陽光熱轉換效率，并賦予其磁性能；通過將其與相變材料的復合，使體系具備了優異的磁熱、電熱、光熱及熱電能量轉換和儲存功能，并對電磁波產生有效的屏蔽，其在X波段的電磁屏蔽效能高達66.2 dB。

3. 應用前景廣闊：本研究不僅在多功能相變儲能復合功能材料領域取得了顯著成果，還為其他基于相變材料的多重能量轉換與存儲材料的設計開發提供了新的靈感。本研究所開發的新型儲能材料在高效太陽能利用、可持續化電力生產、室外除冰、人體熱療、電子器件熱管理等應用領域展現出巨大潛力，有望在未來新能源技術中發揮關鍵作用。

內容簡介

針對傳統能量轉換體系中存在的轉換形式單一的缺陷，并為提高體系轉換路徑和效率，北京化工大學材料科學與工程學院汪曉東教授/劉歡副教授團隊報導了創新地采用碳化聚酰亞胺/凱夫拉纖維/氧化石墨烯@ZIF-67復合氣凝膠(C/RGO@CoNC氣凝膠)作為支撐骨架，結合石蠟相變材料，構建出具有太陽能-熱能、熱電、電熱、磁熱轉換和電磁屏蔽功能“五合一”功能的相變復合材料。所開發的相變復合材料的太陽能-熱轉換效率達到95.1%，電導率達到232.8 S m?¹，潛熱容量高達209.2 J g?¹，飽和磁化率達到18.61 emu g?¹。該相變復合材料不僅具有優異的太陽能-熱能、熱電、電熱和磁熱能量轉換性能，而且其在X波段的電磁干擾屏蔽效果高達66.2 dB；同時該工作也詳細分析了實現多重能量轉換能力的和電磁屏蔽的機制。這種“碳質氣凝膠+相變材料”設計的巧妙獨特之處在于它實現了多種能量轉換路徑的優化和電磁屏蔽性能的協同提升。該團隊所開發的多功能相變復合材料為清潔能源儲存和高效能源利用提供了新的解決方案，多能性的設計不僅推動了先進功能材料的研究，還為相關領域的技術創新和可持續發展提供了重要借鑒。

總結

本研究成功開發了一種基于碳化PI復合氣凝膠/石蠟相變復合材料的多功能體系，可協同實現光熱、熱電、電熱、磁熱多能轉換/存儲及電磁屏蔽功能。該復合材料以C/RGO@CoNC氣凝膠為支撐骨架、石蠟為相變材料構筑而成。其中，C/RGO@CoNC氣凝膠由PI/KNF/GO@ZIF-67復合氣凝膠經高溫碳化制得，具有獨特的雙向層狀多孔結構，兼具高孔隙率與超輕特性。氣凝膠骨架中的RGO與CoNC顯著提升了復合材料的熱導率、光吸收率、導電性及磁性能。得益于這些特性，該復合材料展現出95.1%的光熱轉換效率、超過110°的水接觸角、232.8 S/m的導電率、18.61 emu/g的飽和磁化強度以及X波段66.2 dB的電磁屏蔽效能。通過引入石蠟，復合材料獲得了高達209.2 J/g的潛熱容量，增強了其實際應用中的熱能存儲能力。因此，該材料可集成應用于光熱、電熱、磁熱多能轉換及電磁屏蔽領域，如太陽能收集與利用、除冰、人體熱療等場景?；谠搹秃喜牧蠘嫿ǖ臒犭娤到y可實現最高426.7 mV輸出電壓與40.6 mA輸出電流，表現出高效熱電轉換性能。此外，其優異的電磁屏蔽效能可有效防止電子設備的電磁污染。本研究通過巧妙整合多能轉換/存儲功能與電磁屏蔽性能，為開發具有跨領域應用潛力的先進功能材料提供了創新思路。

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