相变材料“相遇”气凝胶：基础、进展和未来

气凝胶具有超轻、超高孔隙率、超高比表面积、可调节的热/电导率和机械柔韧性等特点，有望成为有效封装相变材料的理想载体材料。新型气凝胶复合相变材料具有高能量存储密度，被认为是一种先进的热能存储技术。更吸引人的是，相变材料与气凝胶的巧妙结合，加速了先进多功能复合相变材料的发展，如机械柔韧性、形状记忆、热红外隐身、阻燃、吸波等功能，这些先进功能为相变材料提供了创新的应用平台，如可穿戴热管理、温度调节纺织品和智能抓取器等。

近日，北京科技大学王戈&北京师范大学陈晓等人系统地总结了高性能和多功能气凝胶基复合相变材料的最新进展，特别强调了先进的多功能性，例如光-热、电-热、声-热和光-热-电等能量转换策略、柔韧性、阻燃性、形状记忆、热红外隐身、智能抓取器和吸波等功能。系统阐明了不同种类气凝胶在复合相变材料中的多功能作用以及它们的结构和热物理性质之间的关系，此外还展示了气凝胶和3D打印技术的跨学科研究进展，这有助于开创更前沿的功能复合相变材料。该综述以“Aerogels Meet Phase Change Materials: Fundamentals, Advances, and Beyond”为题发表在《ACS Nano》上。本研究入选ACS Editors'Choice文章进行亮点报道。ACS Editors'Choice每天从所有ACS开办的期刊中选取一篇具有重大科学意义的优秀论文在ACS网站作为头条新闻展示，入选率低于1%，并成为向公众永久免费开放的浏览资源。文章第一作者为刘盼盼博士，陈晓和王戈为共同通讯作者。

图1各种气凝胶基复合相变材料及先进多功能应用

图2近年来气凝胶基复合相变材料的主要进展

   1.碳气凝胶基复合相变材料

碳气凝胶通常具有连续的三维网络结构，由相互连接的胶态碳粒子或聚合物碳链组成，可以在纳米尺度上控制和调节。根据前驱体的类型，碳气凝胶可分为三类:酚醛树脂源碳气凝胶、碳纳米管和石墨烯源碳气凝胶和生物质源碳气凝胶，通过有机气凝胶的热解或前驱体的自组装路线生产。碳基气凝胶具有气凝胶的所有结构特性，还具有导电能力。由于其具有超高孔隙率、超低密度和大比表面积等独特优势，在设计用于相变材料的封装支撑材方面引起了广泛的研究兴趣。碳气凝胶的高孔隙率有利于提高相变材料的高负载量，确保复合相变材料的高储热能力，通过强大的毛细力防止融化的相变材料泄漏。同时，碳气凝胶的高度互联的三维导热框架改善了相变材料固有的低导热率，提高了热响应速度。此外，碳气凝胶复合相变材料由于其优越的太阳捕获能力和高导电性被认为是十分有前途的光-热和电-热能量转换和存储候选材料。

2. 硅气凝胶基复合相变材料

近年来，二氧化硅气凝胶由于其孔隙率大、比表面积大，被用于作为支撑材料，以保持相变材料的形状稳定性，防止相变过程中的泄漏。利用二氧化硅气凝胶的超低导热系数和相变材料的高储热能力，二氧化硅气凝胶基复合相变材料在热防护方面具有很大的应用潜力。

3. 聚合物气凝胶基复合相变材料

聚合物气凝胶由于具有超低导热系数、超轻密度、高孔隙率、优良的力学性能和灵活的分子设计等特性，已成为具有竞争力的储能支撑材料。

3.1纤维素气凝胶基复合相变材料

环境问题促使研究人员利用天然生物基材料开发先进材料和应用。从纤维素纳米纤维（CNFs）、纤维素纳米晶体（CNCs）或细菌纤维素（BC）中提取的纤维素气凝胶，因资源丰富、生物降解性好、易降解和环境友好而受到广泛关注。纤维素气凝胶既具有传统气凝胶的轻质、高孔隙率和大比表面积，又具有纤维素本身的优良性能（良好的生物相容性和可降解性，高机械强度）。最值得注意的是，纤维素气凝胶具有诱人的机械性能，如高压缩强度和优异的柔韧性。纤维素气凝胶与相变材料的智能集成可以生产先进的柔性多功能复合相变材料。

3.2合成聚合物气凝胶基复合相变材料

合成聚合物气凝胶结合了气凝胶的优点和聚合物工艺路线（聚乙烯醇、聚丙烯和聚酰亚胺等）的便利，在开发柔性、红外隐身、形状记忆和热保护等先进多功能复合相变材料方面具有很好的应用前景。

4. 其他气凝胶基复合相变材料

4.1金属气凝胶基复合相变材料

金属气凝胶是由金属纳米材料制成的三维多孔材料，它们结合了气凝胶的多孔特性和某些金属的典型特性。使用金属气凝胶来改善相变材料性能的一个关键动机是由于其极高的固有热导率和导电性。

4.2氮化硼气凝胶基复合相变材料

六方氮化硼（h-BN）结构与石墨相似，又称白石墨，具有优良的电绝缘性能、高导热系数、高热稳定性和抗氧化性。与碳基纳米填料增强相变材料的导热和导电性能不同的是氮化硼在提高相变材料高导热性能的同时赋予相变材料更高的电绝缘性能，因此，将相变材料渗透到BN气凝胶中将有助于制备高导热但绝缘的复合相变材料，有望用于微电子器件热管理。

4.3 MXenes气凝胶基复合相变材料

MXenes是由MAX相或层状六方碳化物和氮化物衍生而来的二维材料，自Gogotsi于2011年创造性地合成MXenes以来，它在基础理论和工程应用领域引发了各种新兴的研究热点。近年来，MXenes凭借其优异的电磁波吸收、局域表面等离子体共振效应（LSPR）和层间结构表现出突出的光热转换性能，已成为相变材料有效利用太阳能的优良支撑材料。

图3气凝胶复合相变材料的先进多功能

图4 各种气凝胶基复合相变材料的优缺点、能量转换策略和先进功能

文献链接：Panpan Liu, Xiao Chen*, Yang Li, Piao Cheng, Zhaodi Tang, Junjun Lv, Waseem Aftab, Ge Wang*. Aerogels meet phase change materials: fundamentals, advances, and beyond. ACS Nano, 2022, 16, 15586-15626.