磁助力MXene基相变材料光热转换与存储

高效的太阳能利用技术对太阳能利用的实践研究具有重要意义。将太阳能转化成热能是当前太阳能利用的重要方式之一。相变材料能够在固-液相变过程中高效储存和释放热能，这为解决太阳辐照在时间和空间上的不均衡提供了可行性。近年来，将光热材料与相变材料结合制备光响应型复合相变材料逐渐进入人们的视野，光热材料的引入可直接高效吸收太阳能转化成热能，进而被相变材料以潜热形式存储。尽管相变材料在光热转换与存储方面已经取得了一定进展，但相对较低的光热转换效率仍然无法满足相变材料日益增长的功能需求。

本论文以二维MXene作为光捕获器，基于磁性纳米粒子Fe3O4与MXene间协同的局域表面等离子共振效应（LSPR）设计了一种兼具高储热密度、高热导率、高光热转换效率的新型多功能MXene基复合相变材料（图1）。在光热转换与存储过程中，MXene可以有效捕获光子并将太阳能转换为热能，原位锚定在MXene层中的Fe3O4纳米粒子进一步提高了光热转换效率，光热转换效率最高可达97.7%，优于目前文献报道的大部分光热复合相变材料。同时，少量原位锚定在MXene层中的Fe3O4纳米粒子可以为光子扩散提供快速的传输通道，延长声子的平均自由程，提高了复合相变材料的传热速率。Fe3O4纳米颗粒可以为相变材料提供更多的异质成核位点，提高了复合相变材料的储能密度（144.17 J/g）。有限元数值模拟进一步揭示了MXene与磁性纳米粒子Fe3O4对复合相变材料光热转换能力的协同强化机制。此外，Fe3O4纳米粒子的超顺磁性赋予了复合相变材料磁热转换功能，表明MXene@Fe3O4基复合相变材料在多功能储热领域具有广阔的应用前景（图2）。

上述研究成果以“Magnetically-accelerated thermal energy storage within Fe3O4-anchored MXene-based phase change materials”为题发表于Aggregate期刊，并入选封面和Editors' Choice文章。文章第一作者为高琰博士和唐兆第博士，陈晓和王戈为共同通讯作者。

图1. 期刊封面

图2. MXene@Fe3O4复合材料制备示意图

图3. MXene@Fe3O4基复合相变材料光热/磁热转换示意图

文献链接：Yan Gao1, Zhaodi Tang1, Xiao Chen*, Jiamin Yan, Yu Jiang, Jianhang Xu, Zhang Tao, Lei Wang, Zhimeng Liu, Ge Wang*. Magnetically accelerated thermal energy storage within Fe3O4-anchored MXene-based phase change materials. Aggregate, 2023, 4, e248.