文献快讯：Adv. Mater. 自适应Janus光热系统：石墨烯/PDA/MXene异质结构打破太阳能利用昼夜瓶颈

成果掠影 & 研究背景

太阳能利用的最大挑战之一在于其昼夜间歇性。将光热材料与相变材料（PCM）复合可以实现时空储热，但传统PCM面临导热差、易泄漏和在无光时段热量快速散失的问题。自然界的苔藓群落提供了一种解决方案：在寒冷地区，暗色苔藓在白天利用其黑色高效吸收太阳光，夜间则依靠其多孔结构极低的导热性实现保温，这种“黑地毯效应”为全天候太阳能热管理提供了仿生范本。

受此启发，研究团队设计了一种自适应Janus太阳能-热系统。该系统上层为仿苔藓可切换光热表面（包含Gr/PDA/MXene异质结构和MXene二次纳米多孔结构），下层为高导热复合相变材料（CPCM）储热基底。在模拟太阳光下，该系统实现了高达98.1%的光热转换效率，同时具有26.5 W/(m·K)的快速导热系数和236.7 J/g的高储热密度。当光照停止后，苔藓状表面自动切换为隔热模式，热导率仅0.03 W/(m·K)，红外发射率仅0.2，将内部热量与环境隔离。在-15°C、60 mW/cm²的弱光寒冷条件下，系统仍能有效工作；在标准实验室测试中，配备该系统的模拟帐篷在光照结束后将室内温度维持在5°C以上的时间达到2004秒，是对照组的13.3倍。飞秒瞬态吸收光谱等表征揭示了Gr/PDA/MXene异质结中层间载流子相互作用抑制辐射复合、促进电子-声子耦合的高效光热转换机制。

创新点 & 图文摘要

创新点：

• 仿生“黑地毯效应”设计：首次将苔藓群落的双重功能（高白天吸收+低夜间热损失）转化为人工Janus结构，在同一系统中实现太阳能光热转换-传导-储热-热损失抑制的一体化智能管理。
• 苔藓状光热表面：通过原位自组装获得了由Gr/PDA/MXene异质结构和MXene二次纳米多孔结构组成的高比表面积表面。异质结中的界面氢键和Ti-O键确保了结构的稳定，二次纳米孔提供了多次反射光陷阱，使太阳能吸收率接近98.1%。
• 高效载流子动力学机制：通过飞秒瞬态吸收、拉曼光谱和密度泛函计算证实，Gr/PDA/MXene异质结中的层间相互作用引发了电荷转移和能带对齐，产生了内建电场。光生电子和空穴被空间分离，抑制了辐射复合，同时利用MXene的超快电子-声子耦合（约220 fs）将光能高效转化为晶格热振动。
• 高导热高储热CPCM：石墨烯定向冷冻骨架纵向导热系数达26.5 W/(m·K)，与PCM复合后能量存储密度为236.7 J/g（保持率94.9%），MXene二次纳米多孔结构同时提供了物理屏障，使熔融泄漏率低至0.04%，远优于无该结构的样品（最高4.22%）。
• 双功能热损失控制：在保温阶段，苔藓状表面的多孔结构提供导热阻（0.03 W/(m·K)），同时MXene的低发射率（0.2）抑制辐射散热，两者协同将热量封锁在系统内部，使热管理时间延长13.3倍。
• 综合稳定性和耐久性：系统在300次熔融-结晶循环后储能密度仅下降3.2%，红外光谱表明结构稳定；在300 g负载（100倍自重）下于80°C热台放置1200秒无泄漏；经过高湿度和旋转测试后MXene二次纳米多孔结构仍保持完整。

图1. 苔藓状光热表面的形貌。（a）PPG5的制备过程示意图，灵感来源于苔藓群落及其昼夜热管理原理。（b）PPG0表面（与PGB和Gr骨架类似）和（c）截面SEM图像。（d）PPG5表面和（e）截面SEM图像（黄色虚线框为MXene二次纳米多孔结构，蓝色虚线分隔苔藓状表面与下层CPCM）。（f）PPG5表面和（g）截面的Ti元素EDS映射。

图2. Gr/PDA/MXene异质结构的微纳结构分析。（a）异质结构示意图。（b）界面差分电荷密度（黄色和绿色分别代表电荷密度增加和减少）。（c）MXene、Gr/PDA和Gr/PDA/MXene的FT-IR光谱（C-O伸缩蓝移，O-H伸缩红移）。（d）XPS宽谱。（e）Ti 2p高分辨XPS。（f）C 1s高分辨XPS。（g）3000–4000 cm⁻¹区间FT-IR分峰显示氢键变化。（h）同步和（i）异步二维相关红外光谱。

图3. 苔藓状光热表面的载流子耦合动力学与光吸收机制。（a）PPG系列的光吸收率。（b）Gr/PDA/MXene的飞秒瞬态吸收伪彩色图。（c）fs-TAS光谱（280 fs至50 ps）。（d）660 nm处的衰减动力学。（e）光致发光光谱。（f）Gr和Gr/PDA/MXene的拉曼光谱。（g）费米能级对齐与高效电子-声子耦合机制示意图。（h）光热转换与热传导的有限元模拟。（i）-15°C和0°C下60和120 mW/cm²光照时的光热转换曲线。（j）PCM、CPCM和太阳能-热系统的性能雷达图（吸收率、转换效率、比热、密度、导热系数、熔化焓）。

图4. 太阳能-热-储存性能及应用。（a）熔化焓和结晶焓柱状图。（b）光热转换曲线及效率（PGB、PPG0、1、2、5、10、PG5）。（c）本工作与已报道工作的光热转换效率、焓效率和导热率对比。（d）西安2024年各月平均最高/低温度与太阳周期（白色框为测试时间）。（e）热管理毯（STMB）结构示意图（PPG5阵列，上覆PET膜，下衬Al/PET膜）。（f）60 mW/cm²、-15°C和（g）120 mW/cm²、0°C下STMB的动态热管理曲线。（h）60 mW/cm²、0°C和（i）120 mW/cm²、0°C下添加1.2 mm Al₂O₃缓冲层后的热管理曲线。（j）红外热成像（0 s、180 s、540 s、720 s、1080 s）。（k）STMB与对照组的内部温度变化对比。

图5. 系统稳定性及热损失降低机制。（a）苔藓状表面热损失控制示意图（MXene片层、PDA和Gr）。（b）有无苔藓状表面的红外发射率和红外热像图。（c）太阳能-热转换循环曲线及（d）系统优越性示意。（e）系统的导热系数和发射率。（f）泄漏测试数码照片（PPG5在60 s、600 s、1200 s无泄漏，PPG0、1、2、10有泄漏）。（g）各样品泄漏率（PPG5仅0.04%）。（h）原始PPG5照片及（i）放大图；（j）泄漏痕迹（无）；（k）300 g负载1200 s后形貌不变。（l）PPG5循环300次前后的DSC曲线。

图6. 全球温度与太阳能分布及系统的潜在经济价值。（a）全球平均温度分布。（b）全球太阳辐射分布。（c）西安2024年月平均温度。（d）全球各城市的水平面太阳总辐射（GHI）。（e）应用该系统在全球主要城市的年经济价值估算（假设面积100 m²，煤炭替代）。

总结 & 原文链接

本研究从寒冷地区苔藓的“黑地毯效应”获得灵感，成功构建了一种具有苔藓状光热表面的自适应Janus太阳能-热系统。该系统将Gr/PDA/MXene异质结构和MXene二次纳米多孔结构集成于表面，利用层间载流子相互作用实现了高效的光热转换（98.1%），并通过石墨烯骨架与PCM复合获得了高导热（26.5 W/(m·K)）和高储能密度（236.7 J/g）。更为关键的是，苔藓状表面在保温阶段提供了极低的热导率（0.03 W/(m·K)）和红外发射率（0.2），将系统在无光照条件下的有效热管理时长延长了13.3倍。该系统在低温、弱光和强风等恶劣环境下仍能稳定工作，并表现出优异的循环寿命和泄漏抑制能力。该工作为全天候、全地域的太阳能热利用和建筑热管理提供了一种集成式仿生解决方案，在寒冷地区供暖、户外帐篷保温等领域具有广阔应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202607319