内蒙古科技大学段建国团队：多组分协同增强三维石墨烯气凝胶用于高性能光热复合相变材料

近日，内蒙古科技大学段建国团队在《Chinese Chemical Letters》发表了题为“Multi-component synergistic enhancement of 3D graphene aerogels for high-performance photothermal composite phase change materials”的研究论文（DOI：10.1016/j.cclet.2026.113201）。相变储能材料因具有高效储热能力，在太阳能利用和热管理领域展现出广阔应用前景。然而，传统石蜡基相变材料普遍存在导热性能低、光热转换效率不足以及高温易泄漏等问题，严重限制了其实际应用。本研究受天然多孔结构非洲猴面包树启发，构建了一种多组分协同增强的三维石墨烯气凝胶复合相变储能体系。研究团队构建了以三维还原氧化石墨烯气凝胶为核心的多孔支撑网络，引入高导热铜纳米线构筑连续热传递通道，同时结合共价有机框架材料的界面调控与吸附作用，实现了多维功能组分之间的协同优化。该结构不仅增强了材料对光能的吸收与转化能力，同时利用多级孔道和界面作用有效提升了相变材料的封装稳定性，改善了热量传输过程。通过实验表征与有限元模拟相结合的方法，研究进一步揭示了不同组分之间协同促进光热转换、热传递以及相变调控的作用机制，为高性能光热储能材料的结构设计提供了新的思路。该研究成果为太阳能高效利用、余热回收以及智能热管理等领域的新型储能材料开发提供了重要参考。

图文导读

图1 GCOFCu_x仿生设计理念及构筑策略与热传递增强机制

该示意图系统阐明了仿生多孔结构构筑GCOFCu_x复合相变储能材料的设计理念，并直观展示了COFs与三维石墨烯骨架复合材料的制备过程及功能协同机制。通过模拟天然多孔结构构建具有丰富纳米孔道的三维网络，实现对石蜡相变材料的有效限域，同时利用石墨烯骨架、CuNWs和COFs之间的协同作用，构筑连续热传输通道，促进光能吸收、热量传递及相变储能过程的高效耦合，从而提升复合材料的光热转换能力、热传导性能和储能稳定性。

通过SEM、EDS及元素映射表征揭示了GCOFCu_x多级网络结构的构筑过程证实CuNWs与COFs均匀负载于三维rGO骨架中，形成相互连接的导热桥梁和界面增强结构。该协同网络不仅提供了稳定的相变材料限域空间，同时优化了热传递路径，为复合材料实现高效光热转换与储能性能提升奠定了结构基础。

通过FTIR、XRD及XPS表征揭示了GCOFCux复合材料的结构演化与界面结合特征。FTIR和XRD结果证实COFs、CuNWs与rGO组分成功复合，并保持各自结构特征；XPS分析进一步验证了复合体系中C、N、O、Cu元素的存在及界面相互作用。多组分协同构筑的三维网络结构不仅增强了材料稳定性，同时为热传输通道构建和相变储能过程优化提供了有利条件。

通过DSC、循环稳定性、TGA及泄漏测试揭示了GCOFCu_x复合相变材料的热调控能力和结构稳定性。DSC结果表明，各复合材料均保持良好的相变特征，多次热循环后仍表现出稳定的热响应行为，证明其具有优异的相变可逆性。TGA和泄漏实验进一步证实，三维rGO骨架结合CuNWs与COFs形成的多级网络结构能够增强热稳定性并有效限制石蜡迁移，为复合材料长期稳定储能提供保障。

过构建三维石墨烯基多级协同网络，材料实现了光能吸收、热量传递与相变储能的高效耦合，在连续光热循环过程中保持稳定的能量转换能力。CuNWs与COFs的引入进一步优化了热传输路径和界面调控作用，使复合材料具备优异的储热稳定性和热管理潜力，为太阳能高效利用提供了新的材料策略。

图6 COFs和CuNWs对rGO进行协同改性机理

通过石墨烯网络、Cu纳米线与COFs构筑的多级结构，材料实现了太阳能吸收、电子-声子能量转换和热量快速传递的协同优化。同时，界面作用与毛细限域效应有效提升了相变材料的稳定封装能力，为高效太阳能储存与热管理应用提供了新策略。

结合COMSOL多物理场模拟，研究团队直观展示了材料内部热流传递与温度分布变化，验证了三维石墨烯网络、CuNWs和COFs之间的协同作用。多级导热网络促进光能吸收与热量快速扩散，界面作用和毛细限域效应进一步提升了相变材料稳定性，实现了光热转换、热传输与储能过程的协同优化，为先进太阳能热储存材料开发提供了新思路。

小结

本工作提出了一种仿生多级网络结构调控策略，通过构筑rGO/CuNWs/COFs协同增强框架，成功制备了高性能GCOFCu_x复合相变储能材料。该策略不仅构建了高效光热转换与热传输通道，同时利用COFs界面调控和多孔限域效应增强了相变材料的结构稳定性，有效克服了传统石蜡基相变材料导热受限、光响应不足和泄漏风险高等问题。结合实验测试与COMSOL模拟分析，揭示了多组分协同结构促进能量转换和热扩散的作用机制。该研究为先进光热相变储能材料的结构设计与规模化应用提供了新的理论依据和技术方案。本研究成果得到了内蒙古自治区直属高校科研业务费(2023QNJS060)和内蒙古自治区“揭榜挂帅”重大科技示范工程项目(2023JBGS0012) 的基金项目的支持。

作者介绍

通讯作者介绍

段建国，博士，特聘副教授，硕士研究生导师。内蒙古科技大学化学与化工学院能源化学工程系专任教师，自治区“英才兴蒙”六类人才。主要研究领域为新能源高效利用与先进热能存储技术，围绕光-热-电转换相变储能材料、太阳能热储存系统、高效节能热管理材料及相变储能装备开展研究。近年来主持及参与国家基金、省部级科研项目10余项，包括内蒙古自治区重大科技示范工程“揭榜挂帅”项目、内蒙古自治区自然科学基金项目及自治区高校科研创新项目等。近五年在相变储能领域荣获内蒙古自治区科学技术进步二等奖2项，授权国家发明专利5项，以第一作者或通讯作者身份在国际期刊发表SCI论文10余篇。

第一作者介绍

杨立薇，内蒙古科技大学化学与化工学院2024级硕士研究生，主要研究方向为新型复合相变储能材料的构筑及其应用研究。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cclet.2026.113201