MOFs基相变储热材料研究进展

本综述系统介绍了金属有机框架（MOFs）在相变热能存储领域的最新研究进展。概括了MOFs在相变热能存储领域的优势和MOFs封装相变材料的方法；系统总结和分析了三大类MOFs基相变材料（PCMs）在热能存储领域的应用进展，最后对其存在挑战和发展前景进行了总结。文章发表于Cell出版社旗下新晋高水平期刊Cell Reports Physical Science。陈晓为第一作者，陈晓和王戈为共同通讯作者。

图1. 金属有机框架基相变材料应用于热能存储

核心内容：

1. 总结了MOFs基相变材料用于热能存储的优势和封装方法。

众多研究证明先进的碳基相变材料具有良好的综合热性能，比如碳纳米管和石墨烯。 然而这些碳材料也存在一些缺点，比如制备工艺复杂、比表面积相对较低，孔道尺寸不规整，孔结构难以定向调控。相比较而言，MOFs具有超高的比表面积和孔隙率，孔结构高度规整有序、孔结构（尺寸和表面官能团）具有优异的可调性。因此，MOFs在制备高性能复合相变材料方面更具发展潜力。

考虑到纯相变材料在固液相转变时存在泄漏的缺点，目前有两种策略：一步封装法和两步封装法。一步法：MOFs的合成和PCMs的封装同时进行，即将PCMs直接加入到MOFs的合成原料中，通过一步反应直接合成MOFs基相变复合材料。两步法：首先通过溶剂热法等策略合成MOFs，然后将熔融的PCMs液体通过毛细作用力和表面张力渗透到MOFs孔道中，最终获得MOFs基相变复合材料。相对而言，两步法具有更好的可控性和流行性。

2. 系统总结和讨论了三大类MOFs基PCMs在热能存储领域的应用进展。

     主要总结了原始MOFs基相变材料、MOFs复合物基相变材料、MOFs衍生碳基相变材料的最新研究进展，分析讨论了三类材料在相变热能存储领域的优缺点，同时对MOFs孔结构与MOFs基相变材料热性能之间的关联性提出了建设性见解。

图3. 金属有机框架基相变材料的研究进展

3. 展望了MOFs基PCMs在热能存储中存在的挑战及未来的研究方向。

 孔结构的调控依旧是制约高性能MOFs基PCMs发展的一大挑战。

 尽管已有一些商业化MOFs，但是高成本依旧是MOFs基PCMs的一大劣势

 目前的研究主要集中在少数种类的MOFs，更多种类的合适MOFs需要探索。

 高通量和机器学习手段是未来筛选合适MOFs用于相变热能存储的首选手段。

 先进的高性能-多功能MOFs基相变复合材料急需探索。

文献链接：Xiao Chen*, Hongyi Gao, Zhaodi Tang, Ge Wang*. Metal-organic framework-based phase change materials for thermal energy storage. Cell Reports Physical Science, 2020, 1, 100218.