天津工业大学《Carbon》：由层层多孔石墨烯基气凝胶纤维实现的多模热调节

成果简介

随着极端天气事件的发生频率日益增加，个人热管理变得愈发重要。本文，天津工业大学韩娜 教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Multi-Mode Thermal Regulation Enabled by Hierarchically Porous Graphene-Based Aerogel Fibers”的论文，研究提通过同轴湿法纺丝成功制备了具有分级多孔结构的芯-壳结构石墨烯气凝胶纤维（GAF），其展现出了卓越的热管理性能。所设计的聚丙烯腈包覆聚乙烯醇/羧甲基纤维素/石墨烯（PAN@PCG）气凝胶纤维，具有结构稳定的石墨烯气凝胶（GA）芯层和多功能聚丙烯腈（PAN）包覆层。柔韧的聚乙烯醇（PVA）骨架和一维线性羧甲基纤维素（CMC）的引入有效控制了芯层GA的微观结构。

此外，包覆层因双向相分离而具有层状多孔结构。PAN@PCG气凝胶纤维丰富的孔隙结构使其具有高孔隙率（91%）、低密度（0.12 g/cm3）和优异的隔热性能（0.032 W/(m·K)）。PAN@PCG气凝胶纤维的高孔隙率结构能够有效包封相变材料。所得的十八烷/PAN@PCG (ODA/PAN@PCG) 纤维在鞘层透光率方面表现出显著变化，潜热为149.2 J/g，光热转换效率高达90.1%。由ODA/PAN@PCG构成的光热电转换系统在3 kW/m²的模拟太阳辐射下，输出电压达284.2 mV。此外，热致变色微胶囊赋予纤维可逆的变色能力，可作为视觉警报。本研究提出了一种可行且有效的方法，用于制备具有卓越热管理能力的GAF，为节能和个人热管理领域的多种应用提供了极具前景的选择。

图文导读

Fig. 1. Schematic illustration of the ODA/PAN@PCG fabrication procedure.

图2. a) Digital photo of the PAN@PCG coaxial fiber during the wet-spinning process. b) Digital photo of the knotted PAN@PCG aerogel fiber. c) Digital photo of a PAN@PCG aerogel fiber wrapped on a glass bottle. d) Digital photo of the coaxial fiber hanging 50 g weight. e) Stress-strain curves of different aerogel fibers. f) FTIR spectra of GO, CMC, PVA and PAN@PCG. g) Raman spectra of GO and PCG. h) Schematic diagram of functionalized fabrics preparation based on PAN@PCG aerogel fiber.

图3. a) Schematic diagram of the changes in the core-sheath solution of the fiber during the spinning process. b-g) Cross-sectional SEM images of PAN@PCG-1, 2, 3, 4, 5 and 6. h) SEM images of the PAN@PCG-5 core-layer. i, j) SEM images of the PAN@PCG-5 sheath-layer.

图4. a) Schematic diagram of thermal management. b) |ΔT| between the fabrics and the hot plate at a temperature range of 20-110 °C. c) |ΔT| between the PAN@PCG aerogel fabric and the hot plate for different layers. d) The infrared thermograms of PAN@PCG aerogel fabric with different layers on 50, 70, 110 °C hot plates. e) Schematic diagram of the thermal insulation mechanism of the PAN@PCG aerogel fiber. f) Thermal conductivity versus strength for the PAN@PCG aerogel fiber and other aerogel-based thermal insulating materials.

图5. a) Schematic diagram for the preparation of the ODA/PAN@PCG fibers and photos of aerogel fibers before and after loading ODA. b, c) Cross-sectional SEM images of ODA/PAN@PCG fiber. d) DSC curves of ODA/PAN@PCG fibers and pure ODA. e) The comparison of the phase change enthalpy of different phase change composite materials. f) FTIR spectra of PAN@PCG, ODA and ODA/PAN@PCG. g) Morphology changes of heated ODA/PAN@PCG fabric and ODA at different times.

图6. a) Ultraviolet-visible-near-infrared absorption spectra of ODA, ODA/PAN@PCG. b) Time-temperature curves of PAN@PCG, ODA/PAN@PCG fabric under 0.5 kW/m² irradiation. c) Time-temperature curves of ODA/PAN@PCG fabric under different light intensities. d) Schematic drawing of STEG system. e) ODA/PAN@PCG fabric-covered thermoelectrics output voltages under 1 kW/m² irradiation. f) Output voltages of ODA/PAN@PCG fabric-covered thermoelectrics under different light intensities. g) The color change of ODA/TPAN@PCG fabric. h) The infrared thermogram of ODA/TPAN@PCG fabric under 1 kW/m² irradiation.

小结

综上所述，本文成功制备了具有分级多孔结构的芯-壳型气凝胶纤维（GAF），用于先进的热管理应用。通过将同轴湿法纺丝技术与水热还原和冻干工艺相结合，以PCG作为芯层，PAN包覆层提供保护，从而形成了结构稳固的芯-壳型气凝胶纤维。引入聚乙烯醇（PVA）作为增强相，有效抑制了气凝胶在水热还原和冻干过程中的体积收缩，从而确保了芯层的孔隙率。得益于聚丙烯腈（PAN）包覆层的包裹，PAN@PCG气凝胶纤维展现出优异的力学性能，其抗拉强度达3.0 MPa。PAN@PCG 气凝胶纤维还表现出高孔隙率（91%）、低密度（0.12 g/cm3）和低导热率（0.032 W/(m·K)）等独特特性，使其在 20 至 110 °C 的宽工作温度范围内成为有效的隔热材料。此外，经真空浸渍处理后，ODA/PAN@PCG纤维展现出优异的潜热（169.2 J/g）以及高效的太阳能存储与释放能力。这种相变复合纤维在热电和热致变色应用中表现出了令人鼓舞的性能，能够持续产生电信号并提供视觉警示。总体而言，这种气凝胶相变复合纤维集成了被动隔热、主动光热转换和高效热传感功能，在可穿戴个人热管理、柔性光热电能量转换以及智能纺织品领域展现出广阔的应用潜力。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121634