為了獲得多重響應性儲能材料，將相變材料(PCM)和纖維素納米纖維(CNFs)進行超聲處理，制備了具有機械性能可調(diào)控的光熱可復寫PCM/CNF-IR 780儲能納米紙。引入微量近紅外染料(IR 780)賦予納米紙光熱效應，從而可以通過控制激光曝照的時間和位置來調(diào)節(jié)局部透明度，形成可重復使用的光熱書寫紙。
圖1 PCM@CNF儲能納米紙制備機理圖：（a）兩親性纖維素納米纖維用于穩(wěn)定烷烴相變材料；（b）儲能納米紙透明度隨環(huán)境溫度發(fā)生變化；（c）儲能納米紙在拉伸過程中的結構變化
近日，西北工業(yè)大學張秋禹課題組將烷烴類相變材料（PCM）嵌入到纖維素納米纖維（CNF）基體中，制備出PCM@CNF儲能納米紙并開展性能研究。該過程從簡單的CNF-水-PCM體系開始，基于納米纖維素的兩親性，在超聲波作用下，形成穩(wěn)定的Pickering乳液，澆鑄成膜后，得到可循環(huán)使用的儲能納米紙（圖1）。當納米紙厚度為50μm時，光學透過率可隨溫度變化從0%可逆切換到46%。如圖2所示，借助于納米沉淀法，引入微量近紅外光熱染料（IR780），賦予納米紙光熱響應性，用于調(diào)節(jié)激光照射下納米紙的局部透明度，從而實現(xiàn)光寫和可復寫效果。
圖2 PCM@CNF儲能納米紙在近紅外激光照射下的光學性能：（a）近紅外激光光源照射儲能納米紙，并使用紅外熱成像儀記錄納米紙表面溫度裝置示意圖；（b）不同激光強度照射隨時間變化的加熱曲線；（c）不同激光強度照射 10 s后，準平衡狀態(tài)下的加熱曲線截圖；（d）室溫（20℃）激光照射下儲能納米紙的紅外熱成像圖；（e）PCM@CNF儲能納米紙在激光光源移動下記錄的光學圖像（測試溫度 0℃）
進一步，在相變材料與鈣離子誘導的孔隙結構協(xié)同作用下，儲能納米復合紙表現(xiàn)出優(yōu)異的力學調(diào)控能力，拉伸強度從267MPa至45MPa，楊氏模量從8.9GPa至0.6GPa，斷裂伸長率從9.0%至52.5%靈活可控。另外，納米紙的模量、延伸率和透明度等可根據(jù)所包覆相變材料熔點進行設計（圖3）。
圖3 PCM@CNF 儲能納米紙的力學拉伸性能
該工作利用生物質(zhì)材料納米纖維素穩(wěn)定芯材，并引入光熱染料，使相變材料具有光和熱雙重觸發(fā)機制。相變材料和納米纖維的結合不僅保證了相變材料在循環(huán)使用過程中不發(fā)生泄露，而且利用固-液相轉(zhuǎn)變過程中遷移率和光學性能的變化，提供納米紙自適應特性。通過控制激光曝照的時間和位置，可以調(diào)節(jié)儲能納米紙局部透明度，形成可重復使用的光寫介質(zhì)。此外，PCM/CNF儲能納米紙表現(xiàn)出從剛性到柔性的優(yōu)異機械調(diào)節(jié)性能，極大地豐富了其在節(jié)能智能顯示領域的應用。
該工作以“An Opto- and Thermal-Rewrite PCM/CNF-IR 780 Energy Storage Nanopaper with Mechanical Regulated Performance”為題發(fā)表在《Small》上。文章第一作者是西北工業(yè)大學博士生劉錦，通訊作者是西北工業(yè)大學張秋禹教授，聯(lián)合完成單位包括弗萊堡大學和西安航天動力研究所。該研究得到國家留學基金委的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202200688
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