研究背景

传统能源材料在能量转换与存储领域长期面临功能单一、转换效率低下的技术瓶颈，难以满足现代社会对高效、可持续能源系统的迫切需求。相变材料因其独特的相变潜热特性与多物理场耦合能力，为解决上述问题提供了新思路。其在相变过程中可高效吸收、释放大量能量，同时维持温度稳定，从而显著提升能源系统的能量密度与转换效率。通过复合设计与结构调控，相变材料能实现多功能协同转换，为工业余热回收、智能电子设备热管理、绿色建筑、人体热疗等领域带来革命性变革。因此深入研究相变材料多重能量转换方式、机理与应用，不仅对推动能源材料的高效化与多功能化具有重要科学价值，更为实现“双碳”目标下的能源结构转型提供了关键技术支撑。

Multi-Energy Conversion and Electromagnetic Shielding Enabled by Carbonized Polyimide/Kevlar/Graphene Oxide@ZIF-67 Bidirectional Complex Aerogel-Encapsulated Phase Change Materials

Tao Shi, Xing Gao, Huan Liu*, Xiaodong Wang*

Nano-Micro Letters (2025)17: 236

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01761-w

本文亮点

1. 技术创新：本研究开发了一种具有双向层状结构的碳化聚酰亚胺纤维/凯夫拉纤维/氧化石墨/ZIF-67复合气凝胶，并将其与石蜡相变材料整合，成功开发出一种具备“五合一”多重能量转换和电磁屏蔽功效的相变复合材料，可应用于磁热、电热、光热及热电能量转换，同时具备电磁屏蔽功能。

2. 性能飞跃：利用高温碳化技术获得了具有双向多孔结构和强韧骨架的碳化气凝胶，并使该气凝胶骨架上的氧化石墨烯和ZIF-67转化为高导热导电的还原氧化石墨烯和具有超顺磁性的钴氮掺杂碳化物，增强了气凝胶的光子和电子传输能力，提升了其太阳光热转换效率，并赋予其磁性能；通过将其与相变材料的复合，使体系具备了优异的磁热、电热、光热及热电能量转换和储存功能，并对电磁波产生有效的屏蔽，其在X波段的电磁屏蔽效能高达66.2 dB。

3. 应用前景广阔：本研究不仅在多功能相变储能复合功能材料领域取得了显著成果，还为其他基于相变材料的多重能量转换与存储材料的设计开发提供了新的灵感。本研究所开发的新型储能材料在高效太阳能利用、可持续化电力生产、室外除冰、人体热疗、电子器件热管理等应用领域展现出巨大潜力，有望在未来新能源技术中发挥关键作用。

内容简介

针对传统能量转换体系中存在的转换形式单一的缺陷，并为提高体系转换路径和效率，北京化工大学材料科学与工程学院汪晓东教授/刘欢副教授团队报导了创新地采用碳化聚酰亚胺/凯夫拉纤维/氧化石墨烯@ZIF-67复合气凝胶(C/RGO@CoNC气凝胶)作为支撑骨架，结合石蜡相变材料，构建出具有太阳能-热能、热电、电热、磁热转换和电磁屏蔽功能“五合一”功能的相变复合材料。所开发的相变复合材料的太阳能-热转换效率达到95.1%，电导率达到232.8 S m⁻1，潜热容量高达209.2 J g⁻1，饱和磁化率达到18.61 emu g⁻1。该相变复合材料不仅具有优异的太阳能-热能、热电、电热和磁热能量转换性能，而且其在X波段的电磁干扰屏蔽效果高达66.2 dB；同时该工作也详细分析了实现多重能量转换能力的和电磁屏蔽的机制。这种“碳质气凝胶+相变材料”设计的巧妙独特之处在于它实现了多种能量转换路径的优化和电磁屏蔽性能的协同提升。该团队所开发的多功能相变复合材料为清洁能源储存和高效能源利用提供了新的解决方案，多能性的设计不仅推动了先进功能材料的研究，还为相关领域的技术创新和可持续发展提供了重要借鉴。

图文导读

I 双向层状结构碳化复合气凝胶的设计制备及结构表征

图1a展示了本工作所设计的碳化气凝胶/石蜡相变复合材料的功能示意图。为制备首先以聚酰亚胺(PI)为骨架材料、氧化石墨烯(GO)和沸石咪唑酯骨架材料67(ZIF-67)为功能填料、凯夫拉纳米纤维(KNF)为桥连剂，通过双向冷冻-冷冻干燥-热亚胺化三步法制备了PI/KNF/GO@ZIF-67复合气凝胶。随后在惰性气氛下对该复合气凝胶进行碳化处理，最终获得C/RGO@CoNC气凝胶(图1b)。在PI/KNF/GO@ZIF-67复合气凝胶的制备过程中，首先通过改良Hummers法和化学去质子法分别制备了GO纳米片与KNF。扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)表征显示(图1b1)，所制备的GO纳米片横向尺寸为2‒6 μm，厚度约5 nm。图2b2展示了KNF分散液在化学去质子化过程中由浅黄色向深红色的颜色演变，这归因于KNF分子链中芳纶基团的去质子化作用，通过静电排斥削弱了聚合物链间的氢键作用。得益于π‒π堆叠作用、静电排斥力和范德华力的协同效应，形成了稳定的KNF分散体系。SEM、AFM和TEM表征结果表明，所制备的KNF长度约3‒5 μm，平均直径45 nm。这种纳米级尺寸使KNF分散液呈现出显著的丁达尔效应(图1b2)。聚酰胺酸(PAAs)、KNF与GO纳米片之间的氢键相互作用以及π-π堆叠效应，有助于混合体系形成稳定的胶体分散液(图1b3)。这种相互作用使GO纳米片能够与PAAs和KNF之间建立分子间氢键网络。通过上述协同作用，混合体系实现了稳定的胶体分散状态(图1b3)。

图1(a)C/RGO@CoNC碳质复合气凝胶基相变复合材料的多能量转换和电磁屏蔽功能示意图。(b)PI/KNF/GO@ZIF-67和C/RGO@CoNC气凝胶的制备策略和机理。

随后对所得胶体分散液进行双向冷冻-冷冻干燥-热亚胺化处理，最终制备出具有独特双向层状多孔结构的PI/KNF/GO复合气凝胶(图2a)。在此以GO含量分别为0、5%、10%、15%、20%(质量分数)的前驱体制备的复合气凝胶依次命名为PI/KNF、PI/KNF/GO-5、PI/KNF/GO-10、PI/KNF/GO-15及PI/KNF/GO-20气凝胶。通过配位作用将ZIF-67前驱体Co2⁺自组装于PI/KNF/GO复合气凝胶骨架表面(图1b4)，随后加入2-甲基咪唑(2-MI)诱导ZIF-67纳米颗粒在骨架表面成核生长，最终形成PI/KNF/GO@ZIF-67复合气凝胶。表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)可与Co2⁺配位，有效抑制ZIF-67纳米颗粒的团聚与过度生长，从而确保其均匀锚定于复合气凝胶骨架(图2b)。对PI/KNF/GO复合气凝胶进行高温碳化处理后得到C/RGO@CoNC气凝胶。与PI/KNF/GO@ZIF-67复合气凝胶类似，C/RGO@CoNC气凝胶保留了平行的层状多孔结构(图2c)，但骨架出现轻微收缩现象。高分辨率TEM显微图像进一步证实，C/RGO@CoNC气凝胶骨架表面存在还原氧化石墨烯(RGO)纳米片与钴氮掺杂碳(CoNC)纳米颗粒(图2d、e)，表明高温碳化过程有助于GO在还原过程中恢复石墨烯结构。RGO的石墨碳结构可为C/RGO@CoNC气凝胶构建高效热传导路径，从而赋予其高导热性能。这一晶体结构转变还可通过C/RGO@CoNC气凝胶的高分辨率TEM图像及选区电子衍射(SAED)图谱得到验证(图2e、f)。值得注意的是，C/RGO@CoNC气凝胶可被磁铁吸引(图1b)，表明ZIF-67碳化产物使其具备良好的磁效应。X射线能谱分析(EDX)与X射线光电子能谱(XPS)进一步证实了碳化过程对复合气凝胶化学结构的调控作用。EDX光谱及其对应的元素分布图显示(图2g)，PI/KNF/GO-20@ZIF-67与C/RGO-20@CoNC气凝胶中均存在Co、N、C、O元素。相较于PI/KNF/GO-20@ZIF-67气凝胶，C/RGO-20@CoNC气凝胶因碳化作用导致O、N元素含量降低，而C与Co的含量显著提升。更重要的是，C 1s高分辨XPS谱图表明(图2h)，与PI/KNF/GO-20@ZIF-67气凝胶相比，C/RGO-20@CoNC气凝胶中sp2杂化C–C键的比例显著增加，说明碳化过程中形成了更多石墨碳组分。Co 2p高分辨XPS谱图(图2i)证实碳化后复合气凝胶中存在金属态Co，这归因于Co2⁺/Co3⁺与碳的还原反应。金属Co的存在是C/RGO@CoNC气凝胶具有磁性的根本原因。通过拉曼(Raman)光谱分析可评估C/RGO@CoNC气凝胶的石墨化程度。相较于PI/KNF/GO@ZIF-67复合气凝胶，碳化后气凝胶的拉曼光谱中出现了位于1340 cm⁻1(D峰)、1585 cm⁻1(G峰)和2935 cm⁻1(2D峰)的特征峰(图2j)，分别对应石墨烯的缺陷碳结构、晶体石墨(碳原子面内sp2振动)及多层石墨烯特征。以上结果表明，PI/KNF/GO@ZIF-67复合气凝胶经碳化后成功形成了高度石墨化的磁性气凝胶结构。

图2 (a) PI/KNF/GO-20气凝胶、(b) PI/KNF/GO-20@ZIF-67气凝胶、(c) C/RGO-20@CoNC气凝胶不同方向SEM图。(d,e) C/RGO-20@CoNC气凝胶的高分辨率TEM图，(f) SAED图，(g) 元素映射图。(h-i) C/RGO-20@CoNC气凝胶XPS光谱和拉曼光谱。

II 碳化气凝胶/石蜡相变复合材料的结构及热物理性能

通过真空浸渍法将熔融PW(相变材料)浸入碳化气凝胶中，制备了一系列碳化复合气凝胶/PW复合材料(图3a)。PI/KNF/GO-20/PW、PI/KNF/GO-20@ZIF-67/PW和C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的SEM图像(图3b1–b3)，表明PW作为PCM已经通过毛细管力和范德华力成功浸渍到复合气凝胶中。其中，C/RGO-20@CoNC/PW复合材料因CoNC纳米颗粒的存在而表现出更粗糙的表面。偏光显微镜表明，C/RGO-20@CoNC/PW中的PW在冷却过程中形成均匀的交叉针状晶体(图3c)，与纯PW的结晶行为一致，进一步表明了气凝胶对负载的PW相变行为没有影响。此外，GO和ZIF-67的引入有效提高了碳化气凝胶/PW复合材料的导热性。C/RGO-20@CoNC/PW复合材料具有0.96 W m⁻1 K⁻1的高导热系数，该结果比纯PW提高了300.0%，这是由于碳化气凝胶骨架的高导热性可以促进热量从碳化气凝胶传递到PW促进热量从气凝胶向PW传递(图3e)。值得注意的是，由于气凝胶本身不发生相变，所有复合材料的熔融焓(ΔHm)和结晶焓(ΔHc)均低于纯PW(图3f)。而C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的相变焓最高，分别为ΔHm = 209.2 J g⁻1和ΔHc = 208.4 J g⁻1。孔隙率越高，气凝胶的体积容量越大，可以加载更多的PW，从而使C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的加载比和储能效率越高(图3g)。

图3(a)复合气凝胶/PW相变材料的制备策略示意图。(b)PI/KNF/GO-20/PW、PI/KNF/GO-20@ZIF-67/PW和C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的SEM图。(c)C/RGO-20@CoNC/PW复合材料冷却过程的偏光显微镜图像。(d)(S0)纯PW、(S1) PI/KNF/GO-20@ZIF-67/PW、(S2)碳化PI/KNF气凝胶/PW、(S3) C@CoNC/PW、(S4) C/RGO-5@CoNC/PW、(S5) C/RGO-10@CoNC/PW、(S6) C/RGO-15@CoNC/PW和(S7) C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的热导率。(e)碳化气凝胶/PW相变材料的相变机理图。(f)不同复合材料的相变焓和(g)负载率。(h)在1.0 kW m⁻2太阳辐照下，C/RGO-20@CoNC/PW复合材料平行和垂直于层状孔道方向的红外热成像图及(i)内部温度-时间演变曲线。通过有限元分析获得不同方向(j)C/RGO-20@CoNC/PW复合材料和(k)C/RGO-20@CoNC气凝胶的温度-时间曲线。

III 碳化气凝胶/石蜡相变复合材料的热传递

为阐明各向异性结构骨架对C/RGO@CoNC/PW复合材料传热性能的影响，我们以C/RGO-20@CoNC/PW复合材料为代表性样品，在1.0 kW m⁻2的光强下分别对垂直和平行于层状孔方向进行了20分钟的模拟太阳光照射。采用红外热像仪和温度记录仪同步记录了太阳辐照过程中复合材料侧面和内部的温度-时间演变过程。红外热成像结果显示，与垂直于层状孔方向相比，平行于层状孔方向的温度变化更为迅速(图3h)。经20分钟太阳辐照后，平行于层状孔道方向的内部温度达到76.9 °C，较垂直方向高出3.4 °C(图3i)，该实验结果与有限元分析模拟结果高度吻合(图3j)。这表明C/RGO@CoNC气凝胶的面内热传导速率必然快于面外方向，该结论亦通过传热模拟得以验证(图3k1、k2)。上述结果直观地证实了层状多孔结构的方向差异会导致显著不同的热传导行为。温度梯度的快速建立表明平行于孔道方向具有更优的热传输路径，这主要归因于RGO片层的定向排列形成了连续的热传导网络，而垂直方向由于存在更多的界面热阻，热量传递相对受阻。为此，在后续实验中，均是在沿平行方向测试了材料的光−热、热−电、电−热及磁−热转换性能。

IV 碳化气凝胶/石蜡相变复合材料的太阳能−热能转换与储存

我们通过氙灯模拟太阳辐照(光强1.0 kW m⁻2)对30×30×10 mm3的相变复合材料进行测试，研究了其太阳光−热转换性能。温度-时间曲线(图4a)显示，纯PW及其复合材料的相变平台均位于38-45 °C区间，与PW的熔融和结晶温度相一致。碳化气凝胶/PW复合材料在220-2500 nm全光谱范围内光吸收率均超过77.5%(图4b)，RGO含量越高，碳化气凝胶/PW复合材料的光吸收率越高，这是由于共轭结构可以为光生载流子提供高效的输运通道，加速空穴和电子的迁移。图4c阐明了C/RGO@CoNC/PW复合材料的光热转换与存储机制是在于碳骨架的共轭效应和金属Co的LSPR协同效应，其中π电子与p轨道电子的相互作用导致电荷重分布，实现高效光热转换。图4d为C/RGO-20@CoNC/PW复合材料代表样品在不同光强模拟太阳照射下的温度-时间演变。太阳照射960 s后，复合材料表面最高温度随光强的增加而增加，并且其温度平台区变小。这些结果表明，C/RGO@CoNC/PW复合材料在高光强太阳照射下可以加速其光热转换和储存。在太阳光照和无光照的循环过程中，C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的温度随时间的变化趋势与此相似(图4e)，这表明开发的C/RGO@CoNC/PW复合材料在长期应用中获得了稳定的太阳能热能转换/储存能力。此外，我们对所开发的复合材料进行了室外自然光照实验，以考察其在实际应用中的光热转换和存储性能。户外木质房屋模型测试如图4f所示，在自然光下暴露30分钟，然后转移到环境温度为28 °C的阴影环境中进行自然冷却。红外热像图(图4g)显示，两种气凝胶样品在自然光照和无照射下的表面温度变化比两种气凝胶/PW复合材料更快。毫无疑问，由于缺乏PCM，复合气凝胶仅以显热为主，其储热能力较低，因此在太阳光照和无辐照下表现出更快的温度演变。从图4h的温度-时间演变可以看出，自然光照30 min后，C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的表面温度最高，达到67.5 °C，这归功于其优越的光吸收能力和储热能力。此外，C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的导热系数高于PI/KNF/GO-20@ZIF-67/PW复合材料，因此在无太阳辐照的情况下，C/RGO-20@CoNC/PW复合材料具有更快的太阳能热能储存/释放过程。这些结果进一步证实了C/RGO@CoNC/PW复合材料在太阳能光热收集和利用方面具有良好的太阳能热能转换/储存能力。

图4(a) (S0)纯PW、(S1) PI/KNF/GO-20@ZIF-67/PW、(S2)碳化PI/KNF气凝胶/PW、(S3) C@CoNC/PW、(S4) C/RGO-5@CoNC/PW、(S5) C/RGO-10@CoNC/PW、(S6) C/RGO-15@CoNC/PW和(S7) C/RGO-20@CoNC/PW复合材料在模拟太阳辐照下的温度-时间演变曲线，和(b)紫外-可见-近红外吸收光谱。(c)碳化气凝胶/PW复合材料的光热转换与存储机制示意图。(d)C/RGO-20@CoNC/PW复合材料在不同模拟太阳光强下的温度-时间演变曲线和(e)循环温度变化。(f)木质房屋模型屋顶覆盖材料的实物照片：(1) PI/KNF/GO-20@ZIF-67和(2)C/RGO-20@CoNC气凝胶，以及(S1) PI/KNF/GO-20@ZIF-67/PW和(S7) C/RGO-20@CoNC/PW复合材料。(g)红外热成像图和(h)温度-时间演变曲线。

V 碳化气凝胶/石蜡相变复合材料的电−热转换与储存光−热转换高度依赖于太阳辐照强度，而间歇性光照会限制相变复合材料在高效热疗、除冰等特殊领域的应用。与光−热转换相比，基于焦耳定律的电−热转换能有效克服光照间歇性的局限。C/RGO@CoNC气凝胶具有优异的电荷传输能力，可为电热能量转换提供有效导电路径(图5a)。对于C/RGO@CoNC/PW复合材料，电热转换产生的焦耳热既可作为显热即时利用，又能被负载的PW以潜热形式存储待用。C/RGO-20@CoNC/PW复合材料在不同输入电压下的温度-时间演变(图5b)表明，复合材料可以在短时间内加热到所需的温度，并且可以通过调节输入电压来控制其温度，适用于人体热疗。采用4.5 V的输入电压对碳化气凝胶/PW复合材料的电热转换性能进行了表征。C/RGO-20@CoNC/PW复合材料作为代表性样品，其红外热像图显示，表面温度随时间快速上升(图5c)。通电310 s后，其表面温度达到68.2 ℃。图5d表明所有碳化气凝胶/PW复合材料在充能过程中都表现出温度的快速升高，C/RGO-20@CoNC/PW复合材料因高的RGO含量而具有最高的电导率(图5e)，促进了其更快的电加热效率。具体来说，C/RGO@CoNC/PW复合材料中的碳化气凝胶骨架可作为一个独特的三维互连导电网络，为快速电子和声子传输提供连续路径(图5f)。此外，高石墨化RGO纳米片的存在可以在碳化气凝胶骨架上产生自由的p电子共轭效应，促进电子和声子的耦合，增强复合材料的电导和热传导。此外，研究发现这些复合材料的潜热释放周期比焦耳蓄热长得多，在短焦耳蓄热周期内实现了长时间的放热。因此，C/RGO@CoNC/PW复合材料可被商业电池激活，并用于人体的热管理和热治疗。如图6g所示，使用便携式电池可以在短时间内将C/RGO@CoNC/PW复合材料加热到高于40 oC的温度，并且通完电的复合材料能在较长时间内保持舒适的温度范围。以上表明，开发的C/RGO@CoNC/PW复合材料可用于包裹髋关节，以实现有效的电驱动热疗。

C/RGO@CoNC/PW复合材料电−热转换能力除了用于热疗，还可用于防冰和除冰。负载的PW组分具有固有的疏水性，可防止水的积累并抑制复合材料表面上的冰形成。高导电性骨架可以在低输入电压下驱动电热能量转换，使C/RGO@CoNC/PW复合材料在短时间内获得高表面温度以实现除冰。这有利于C/RGO@CoNC/PW复合材料在易结冰环境中的应用。如图6h所示，C/RGO-20@CoNC/PW复合材料表面表现较高的疏水性。接下来，我们在C/RGO@CoNC/PW复合材料表面放置一块冰块，进行了电热除冰实验，考察其实际除冰性能。我们发现冰在通电80秒后完全融化，然后断电110秒(图6i)。从图6j的热红外图像可以看出，在充电过程中，复合材料表面温度迅速升高，有利于冰的融化。PW可在通电过程中吸收热能，并在停止通电后释放热能。在这种情况下，复合材料可以通过PW释放潜热，在除冰过程中保持较高的表面温度，促进冰的持续融化，产生高效的除冰效果。上述结果表明，C/RGO@CoNC/PW复合材料具有优异的疏水性和良好的电热转化性能，可用于防冰和除冰。

图5(a)碳化气凝胶/PW复合材料电导率测试装置示意图。(b)不同输入电压下C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的温度-时间变化曲线。(c)输入电压4.0V时C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的红外热成像图。(d)不同复合材料在4.0V输入电压下的电−热转换曲线。(e)碳化气凝胶/PW复合材料样品的电导率和(f)电−热转换机理图。(g)电触发式碳化气凝胶/PW复合材料用于热疗的示意图。(h)复合材料的水接触角。(i)复合材料电加热除冰过程及(j)红外热成像图。(k)不同样品在不同电压下通电180 s后冰块完全融化所需时间。

VI 碳化气凝胶/石蜡相变复合材料的磁−热转换与储存

磁−热能量转换技术通过施加交变磁场可实现精准温控，因此在先进热管理系统、应急供暖和人体热疗等领域展现出重要应用前景。众所周知，金属钴具有强磁响应特性，保证了C/RGO@CoNC/PW复合材料在实现磁−热能量转换与存储中具有顺磁性特征(图6a)。不含钴的碳化的PI/KNF气凝胶/PW复合材料在交变磁场(10 A，1.05 MHz)下仅能维持28.2 ℃的低温(图6b)，且未观察到任何磁性行为。相比之下，碳化的含钴气凝胶/PW复合材料在交变磁场下呈现低剩磁和矫顽力的磁滞回线。当这些复合材料暴露在交变磁场中时，它们的温度迅速上升。高RGO含量的复合材料在外加磁场作用下达到了较高的温度720 s，这种磁−热转换效率可以用图7c所示的磁滞损失和Néel松弛来解释。钴组分被磁化导致其局部磁矩沿磁场方向发生不可逆旋转，该过程因磁滞效应通过热耗散造成部分磁能损失；同时，磁化钴组分中发生Néel弛豫现象(磁矩在不发生物理旋转的情况下与外磁场方向保持一致)，最终复合材料可响应交变磁场，将磁能转化为热能，并以感热和潜热的形式储存在复合材料中。得益于高效的磁−热转换性能，C/RGO@CoNC/PW复合材料可应用于人体热疗。如图7d所示，将C/RGO-20@CoNC/PW作为代表样品覆盖于受伤手腕，随后在交变磁场下进行磁−热转换，对覆盖区域进行加热治疗。红外热像图(图7e)显示，复合材料在磁场作用下4.5 min内迅速升温至50 ℃以上，达到治疗温度。撤除磁场后，凭借PW相变材料释放的潜热，复合材料仍能维持38 ℃以上的舒适温度持续治疗13分钟。这一结果充分证明，该复合材料通过磁−热转换与潜热存储的双重机制，在人体热疗领域具有重要应用价值。

图6(a)不同复合材料的磁滞回线和(b)温度-时间演化曲线。(c)C/RGO@CoNC/PW复合材料的磁−热转换和潜热储存机理示意图。(d)磁触发C/RGO@CoNC/PW复合材料腕部热疗方案。(e)C/RGO-20@CoNC/PW复合材料覆盖腕关节在外加交变磁场(1.05 MHz)和无磁场条件下的红外热像图。

VII 碳化气凝胶/石蜡相变复合材料的电磁屏蔽性能

C/RGO@CoNC/PW复合材料具有高导电性的气凝胶骨架结构，不仅能实现高效的光热-电热-磁热能量转换，还具备优异的电磁干扰(EMI)屏蔽功能。为评估其EMI屏蔽效能(SE)，研究选取C/RGO-20@CoNC/PW作为典型样品，以碳化PI/KNF气凝胶/PW和C@CoNC/PW为对照，在X波段(8.2-12.4 GHz)测试了反射损耗(SER)和吸收损耗(SEA)，结果如图7a−c所示。得益于CoNC磁性和RGO导电组分的引入，C@CoNC/PW和C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的平均SER和SEA值较碳化PI/KNF气凝胶/PW分别提升了61%和40%(图7c)。这主要源于RGO的加入显著增加了气凝胶骨架中的可移动电荷载流子，从而提高了材料电导率，进一步提升了SER和SEA值。此外，金属钴产生的极化损耗和磁滞损耗，通过增强电磁波吸收能力，有效降低了多次反射造成的二次污染。与此同时，研究发现随着CoNC纳米颗粒和RGO纳米片的引入，复合材料的反射系数(R值)显著提升(图7d)。C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的高R值表明其电磁屏蔽主要依靠反射机制，较高的R值源于CoNC和RGO组分赋予的优异导电性能，高含量的RGO通过其发达的导电网络产生更强的反射效应，能有效阻挡入射电磁波在材料表面的穿透。与此同时，C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的吸收系数(A值)仍占有21.8%，说明部分入射电磁波能量能通过吸收机制被耗散。上述结果表明，反射与吸收机制的协同作用使C/RGO-20@CoNC/PW复合材料获得了卓越的电磁屏蔽能力。

为进一步评价C/RGO@CoNC/PW复合材料的电磁干扰屏蔽性能，进行了两次实际应用实验。在第一个实验中，组装一个特斯拉线圈，在线圈周围建立电磁场(图7e)。当接通电源时，产生电磁场形成电动势点亮发光二极管(LED)。然而，当在线圈和LED之间放置一块开发的复合材料时，LED会熄灭。这是因为复合材料的存在阻挡了电磁场，导致电动势消失，随后断电。这一现象表明，所开发的复合材料具有有效的电磁干扰屏蔽性能。在第二个实验中，通过使用两个手机来评估所开发的复合材料的电磁干扰屏蔽性能。如图7f所示，两台手机通过蓝牙连接成功建立无线通信。当一个手机被锡纸包裹时，由于电磁波被锡纸阻挡，已经建立的通信被终止。在锡纸上打开一个洞后，这两部手机被发现重新连接在一起。然而，当用开发的复合材料覆盖孔时，两部手机之间的蓝牙连接再次中断。这些现象表明，所开发的复合材料除了能进行多能转换和存储外，还能对电子器件提供有效的电磁干扰屏蔽。

图7g展示了我们研发的C/RGO@CoNC/PW复合材料的卓越电磁屏蔽机制：当电磁波接触材料时，大部分能量在表面被直接反射，剩余电磁波则进入材料内部与具有高导电性和大比表面积的碳化气凝胶骨架相互作用，通过多重反射和吸收实现能量衰减。同时，独特的碳化气凝胶多层结构进一步增强了整体反射屏蔽效果。特别值得一提的是，RGO和CoNC的协同作用使材料性能得到显著提升—RGO不仅大幅提高骨架导电性，构建高效电磁波反射通道，还能通过极化损耗和涡流效应将电磁能转化为热能；同时CoNC通过磁滞损耗促进电磁波吸收，有效减少二次反射。这种"反射-吸收-转化"三重防护机制使材料屏蔽效能突破66 dB，为5G通信、医疗电子和航空航天等领域提供较有价值的电磁防护解决方案！

图7(S2)碳化PI/KNF气凝胶/PW、(S3)C@CoNC/PW和(S7)C/RGO-20@CoNC/PW复合材料的EMI(a)SER、(b)SEA、(c)平均SE值和(d) EMI系数。(e)通过特斯拉线圈对C/RGO-20@CoNC/PW复合材料进行电磁干扰屏蔽实验的数码照片。(f)两部手机蓝牙连接复合材料的电磁干扰屏蔽实验图。(g)C/RGO@CoNC/PW复合材料屏蔽电磁干扰机理示意图。

VIII 总结

本研究成功开发了一种基于碳化PI复合气凝胶/石蜡相变复合材料的多功能体系，可协同实现光热、热电、电热、磁热多能转换/存储及电磁屏蔽功能。该复合材料以C/RGO@CoNC气凝胶为支撑骨架、石蜡为相变材料构筑而成。其中，C/RGO@CoNC气凝胶由PI/KNF/GO@ZIF-67复合气凝胶经高温碳化制得，具有独特的双向层状多孔结构，兼具高孔隙率与超轻特性。气凝胶骨架中的RGO与CoNC显著提升了复合材料的热导率、光吸收率、导电性及磁性能。得益于这些特性，该复合材料展现出95.1%的光热转换效率、超过110°的水接触角、232.8 S/m的导电率、18.61 emu/g的饱和磁化强度以及X波段66.2 dB的电磁屏蔽效能。通过引入石蜡，复合材料获得了高达209.2 J/g的潜热容量，增强了其实际应用中的热能存储能力。因此，该材料可集成应用于光热、电热、磁热多能转换及电磁屏蔽领域，如太阳能收集与利用、除冰、人体热疗等场景。基于该复合材料构建的热电系统可实现最高426.7 mV输出电压与40.6 mA输出电流，表现出高效热电转换性能。此外，其优异的电磁屏蔽效能可有效防止电子设备的电磁污染。本研究通过巧妙整合多能转换/存储功能与电磁屏蔽性能，为开发具有跨领域应用潜力的先进功能材料提供了创新思路。

作者简介

史涛

本文第一作者

北京化工大学 博士研究生

▍主要研究领域

有机/无机杂化气凝胶及相变储能材料的功能化设计(热管理、光热能量转换、红外隐身、电磁屏蔽等)。

▍主要研究成果

在Advanced Science, Nano-Micro Letters, ACS Applied Materials & Interfaces等国际期刊公开发表SCI论文10余篇，授权中国发明专利1件。

刘欢

本文通讯作者

北京化工大学 副教授

▍主要研究领域

热能存储控温材料，主要从事相变储能材料微纳米胶囊表面的多层级结构及其功能化的构筑，以及高性能相变材料复合物的“结构—传热—储能”之间的关联性与多功能化应用研究。

▍主要研究成果

北京化工大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师，主持承担国家、省部级项目等10余项，迄今已在Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano-Micro Letters、Small等国际期刊发表学术论文70余篇，授权中国发明专利4件。

▍Email：liu.huan@mail.buct.edu.cn

汪晓东

本文通讯作者

北京化工大学 教授/博士生导师

▍主要研究领域

相变材料微胶囊合成及应用技术，气凝胶基相变复合材料的设计制备技术，相变材料在生物酶及生物传感器中的应用技术，相变材料在太阳能驱动海水淡化中的应用技术，塑料改性与加工技术。

▍主要研究成果

汪晓东教授1996年获北京化工大学高分子材料专业博士学位，同年赴韩国DOOSAN电子集团研究与开发中心做博士后研究，1998年回国在北京化工大学从事教学与科研工作，时任副教授，2002年晋升为教授，2003年被聘为博士生导师。后作为国家公派访问学者分别于2001年和2012年赴韩国KOLON工业集团中央研究院和法国巴黎第六大学从事科学研究各一年。自参加工作以来，主要从事塑料改性、先进复合材料加工、功能高分子设计及合成、相变储能材料多样化设计制备及多目标应用等领域的研究工作。作为项目负责人主持了科技部国家“十一·五”和“十二·五”支撑计划项目、国家重点研发项目和国家自然科学基金等多个国家级课题的研究工作。其中研究成果分别获得国家科技进步三等奖、石油化工联合会科技进步一等奖、国防科工委科技进步二等奖和(原)化工部科技进步二等奖各一项。作为第一发明人取得授权中国发明专利20余件，作为第一作者或通讯作者，在国内外学术刊物上发表学术论文300余篇，其中在SCI收录的国外高水平学术期刊上发表论文200余篇。目前的社会兼职工作包括：中国石化联合会所属“全国石油和化工行业聚甲醛制备及加工应用工程实验室”副主任、中国合成树脂协会理事、《中国塑料》期刊编委。

▍Email：wangxd@mail.buct.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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