苏州科技大学《Carbon》：多孔碳纳米纤维柔性相变膜，用于智能穿戴、电子器件热管理等

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成果简介

柔性电子器件的快速发展对热管理提出了严峻挑战。相变材料（PCMs）因其在相变过程中能吸收和释放大量潜热并维持近似恒定温度的能力，被认为是热管理的理想候选者。聚乙二醇（PEG）因相变温度可调、潜热高、无毒、成本低等优势脱颖而出。然而，PEG作为典型的固-液相变材料，面临熔融态泄漏、固态刚性大、热导率低、电绝缘和太阳能捕获能力差等固有缺陷，限制了其广泛应用。尽管碳布基相变复合材料被广泛研究，但其成本高、编织结构密集限制了PCM负载量、且难以精细调控孔隙结构。而传统静电纺丝相变纤维的热/电导率和对外部刺激的响应能力不足。MOF衍生碳虽具有优异性能，但通常以粉末形式存在，缺乏机械柔性。

本文，苏州科技大学刘波研究员、程淼副教授等在《Carbon》期刊发表题为"MOF-Engineered Hierarchical Architected Carbon Nanofibers Based Flexible Phase Change Membranes for Multi-Source Thermal Energy Harvesting, Storage and Utilization"的研究论文。研究以静电纺丝PAN/PS纳米纤维为基底，原位生长ZIF-8后经一步碳化，构建了三维互连的分级多孔碳纳米纤维网络，进而封装PEG制备了多功能柔性相变复合膜（PCNF-ZIF8@PEG）。该复合膜在室温下（远低于PEG结晶温度）展现出优异的柔性，弯曲和扭曲后无断裂或分层现象，具有高储热容量和超低容量衰减率（每循环仅0.035%），并集成了高效的光-热、电-热及光-热-电多源能量转换/存储功能，在温度调控、电子器件热防护及太阳能可持续利用等方面展现出广阔的应用前景。

图文导读

图1. PCNF-ZIF8@PEG柔性相变膜的制备流程及柔韧性展示。(a) 制备示意图：静电纺丝PAN/PS纳米纤维 → 原位生长ZIF-8 → 一步碳化构建分级多孔碳骨架（PCNF-ZIF8） → PEG灌注封装；(b-e) PCNF-ZIF8@PEG膜在室温（远低于PEG结晶温度）下的弯曲和扭曲变形照片，展示优异的结构完整性和柔韧性，无断裂或分层现象。

图2. 分级多孔碳纳米纤维的微观形貌表征。PAN/PS纳米纤维、ZIF-8/PAN/PS复合纤维及碳化后PCNF-ZIF8的SEM/TEM图像，展示ZIF-8纳米晶在纤维表面的均匀生长及碳化后形成的微孔-介孔-大孔分级网络结构，为PEG封装提供丰富的储存空间。

图3. 材料的物相与化学结构分析。(a-b) XRD和Raman光谱，证实碳基体的石墨化程度及ZIF-8衍生碳骨架的存在；(c-d) XPS及FTIR分析，揭示PCNF-ZIF8的表面化学状态及PEG成功封装；(e) BET比表面积及N?吸脱附等温线，展示分级孔隙特征。

图4. (a) XRD patterns of PAN/PS NF, PAN/PS-ZIF8 NF, PCNF-ZIF8, PEG and PCNF-ZIF8@PEG, (b) FT-IR spectra of PCNF-ZIF8, PEG and PCNF-ZIF8@PEG, (c) TGA and (d) DTG curves of PEG, PCNF-ZIF8 and PCNF-ZIF8@PEG, high-resolution XPS spectra of C 1s (e), O 1s (f), N 1s (g) and Zn 2p (h).

图5. The digital photos and infrared camera images of the PEG and PCNF-ZIF8@PEG at 20 and 80 °C.

图6.  (a) Current-voltage (I-V) curve of PCNF-ZIF8@PEG, (b) Schematic diagram of self-built electrical-thermal platform, (c) Time-temperature evolution curve of the PCNF-ZIF8@PEG under the voltage of 5.0 V, (d) Electrical-thermal cycle curves of the PCNF-ZIF8@PEG, (e) Schematic diagram of solar-thermal-electrical conversion system, Generated open-circuit voltage (f) and (g) current of PCNF-ZIF8@PEG under different light intensities, (h) Current-Voltage-Power of PCNF-ZIF8@PEG under various light intensities.

小结

综上所述，本文通过在电纺PAN/PS纳米纤维上原位生长ZIF-8并随后进行碳化处理，成功制备了PCNF-ZIF8@PEG多功能柔性相变膜，该过程形成了用于有效包覆PEG的分级多孔纳米纤维网络。所得复合材料表现出多种优异特性，包括：强毛细力带来的出色形状稳定性（有效防止PEG泄漏）、高达99.7/96.4 J g?1的熔化与冻结焓值所体现的高储能能力、增强的热导率和电导率，以及在100个加热/冷却循环中展现出的卓越热稳定性和可逆性。分级多孔碳纳米纤维结构与源自ZIF-8的锌纳米颗粒的LSPR效应的协同作用，使其在100 mW cm?2辐照下实现了94.3%的卓越光热转换效率；同时，该集成设计还提供了快速的电热响应 （在5 V电压下60秒内升温至78 °C）以及极具竞争力的光热电转换能力（在100 mW cm?2辐照下输出202 mV）。这种一体化设计范式通过在单一柔性平台上合理整合多种能量转换与存储功能，为开发具有广泛应用前景的先进多功能相变材料（PCMs）提供了新思路，这些材料将在下一代热管理系统中发挥重要作用。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121583

信息来源：材料分析与应用

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