研究石墨烯气凝胶基双层相变复合材料用于自适应个人热管理

随着在日常工作和生活中人们对舒适的人体热环境的日益追求，住宅和商业用电的大部分被用于室内采暖或制冷，占到全球总能耗的40%。传统的调节建筑中体积空间温度的策略由于不可避免的造成热量流失到外部环境而需要过多的能源消耗，且不如直接应用于单独的温度调节有效。采暖、通风、空调等空间采暖/制冷方式不能满足个体对热舒适度要求不同的需求，也不适合室外环境。尽管用于日常环境的个人热管理（PTM）材料被广泛研究，但在复杂和户外场景中具有出色可行性的多功能PTM材料的探索仍处于起步阶段。      

       02成果掠影 

  北京化工大学杨冬芝教授、于中振教授研究团队受大气温度调节效应启发，提出了一种具有“能量调节”和“能量逆补偿”特性的太阳热梯度还原氧化石墨烯（RGO）气凝胶基双层相变复合材料（GRGC）的自自适应PTM应用设计。通过整合RGO的光热能转换能力、气凝胶/十八烷双层结构的热调控与内部独特的梯度RGO框架，以及十八烷的潜热补偿，双层GRGC可以作为一种高效的PTM器件，缓解恶劣环境下人体皮肤的剧烈温度变化。该多功能PTM器件不仅可以通过太阳能热转换、气凝胶隔热保温和相变潜热释放的协同作用，可以在-5°C的寒冷环境中保持温暖的皮肤表面微气候，还可以通过其相变行为和保温作用提供高效的热缓冲以防止高温环境中的高热。同时，多物理场仿真结果也验证了精心设计的GRGC结构的优越性，其PTM性能突出。这种梯度和双分子层设计为制造自适应PTM器件在恶劣环境中的应用开辟了新途径。研究成果以“Nature-Inspired Solar-Thermal Gradient Reduced Graphene Oxide Aerogel-based Bilayer Phase Change Composites for Self-Adaptive Personal Thermal Management”为题发表于《Advanced Functional Materials》。      

        03图文导读

图1、a）GRGC制造过程示意图，PRGO是指部分还原的氧化石墨烯。b）VC 溶液的紫外光谱（20 μg mL-1），及在UV-vis测量前从底部（B）、中间（M）和顶部（T）稀释 1000 倍的梯度色散采样；c）GRGC及其放大的d）气凝胶层和e）PCM层的SEM图。

图2、a）XPS光谱以及b）GO和GRGA的顶部（T），中部（M）和底部（B）的高分辨率C 1s光谱；c）ID/IG分布，及 d）GO、e）RGA、f）顶部、g）中部和 h）GRGA 底部的 Raman 成像，蓝色、绿色和红色对应的 ID/IG值分别为 ≈0.8、≈1.0 和 ≈1.3。  

图3、a）UV–vis–NIR吸收光谱，及b）GO、RGA、GRGA底部、中部和顶部在不同温度下的热导率；c）十八烷和GRGC PCM层的DSC曲线；d）GRGA、RGA、GRGC和RGC的表面温度-时间曲线；f）GRGC和RGC的表面和界面温度-时间曲线；e、 g）太阳能热加热和后续冷却过程中GRGA、RGA、GRGC和RGC的红外图像，受激太阳光为1太阳功率（1 kW m-2）。

图4、在a)-5℃ 和f)40℃环境下测量表面和界面温度示意图；在 b)冷(-5℃)、d)冷(-5℃)、g）热(40℃)和i)热(40℃)条件下模拟皮肤、棉花、RGA、RGC和GRGC的界面温度-时间曲线；在c)冷(−5℃)、e)冷(−5℃)、h)热(40℃)和 j)热(40℃)条件下，模拟皮肤、棉花、RGA、RGC和GRGC的温度差(ΔT)，ΔT由棉花、RGA、RGC或GRGC的Ti减去未覆盖的裸露模拟皮肤的表面温度计算得出。

图5、a)边界条件和b)冷场多物理场模拟示意图；c)不同条件下模拟结果的平均界面温度-时间曲线；d)在−5°C有或没有模拟阳光的寒冷环境和在40°C有或没有模拟阳光的炎热环境下，在指定时间的模拟结果的温度等值线图。

审核编辑 ：李倩