近年来，太阳能作为一种清洁且可再生的能源，已成为解决全球能源危机的主要候选解决方案。然而由于其间歇性的特点，如何实现太阳能的有效存储与转化一直是该领域的研究热点。基于相变材料（Phase Change Materials, PCMs）的热能存储技术因可通过相变过程将显热转化为潜热并释放热能，成为改进太阳能利用效率的关键研究方向。本文主要报告了广东工业大学的Zijie Mo等学者与华南理工大学的Xiaolan Wei教授共同完成的一项创新研究，成果发表在尖端期刊《Solar Energy Materials & Solar Cells》。
相变材料因其优越的热能存储能力和环保特性，广泛应用于太阳能辐射存储及光热转换领域。然而，目前主流的PCMs如聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）虽然具有低成本、可调控熔融/结晶温度、较高的化学稳定性等优势，但也存在两个主要技术瓶颈： 1. 热导率低阻碍了热量的快速传递； 2. 聚乙二醇在固液相变过程中的液态泄漏问题限制了其实际应用。
近年来，新型二维材料MXenes（如Ti₃C₂Tx）因其优越的导热性、金属光学特性和可调控的表面化学功能团，成为增强PCMs导热与光热性能的理想选择。然而目前的研究多局限于MXenes的简单混合或低分辨率评估，缺乏兼具形状稳定性、导热性和光热转换效率一体化解决方案的深入研究。
本研究旨在开发并系统评估基于三维（3D）MXene泡沫骨架的复合相变材料，以解决传统PEG基PCMs的热导率低与液态泄漏问题，同时显著提升其光热转换效率与应用前景。
研究采用了创新的制备路线，通过冻干技术构建了基于推动多壁相互交联的Ti₃C₂Tx@PVA三维多孔泡沫骨架，并利用真空浸渍法将PEG2000填充至泡沫骨架中，最终生成高性能嵌套型复合PCM。以下是实验的具体步骤： 1. Ti₃C₂Tx MXene的制备
实验团队通过温和化学蚀刻法（使用HCl和LiF）去除Ti₃AlC₂中的Al层，采用超声分散技术进一步制备出高质量的Ti₃C₂Tx纳米片。X射线衍射（XRD）及高分辨率透射电镜（HRTEM）证实MXene具有典型的层状结构，与PEG分子的相互作用增强其热导性能。
Ti₃C₂Tx@PVA泡沫的构建
将MXene分散液与PVA溶液混合，通过冻干技术形成三维多孔泡沫，该方法引入水作为模板，利用PVA与MXene之间的氢键作用进一步增强了泡沫骨架的机械稳定性，同时提升了其对PEG2000的吸附能力。
PEG填充及复合材料组装
利用真空浸渍技术将PEG2000在70°C熔融态下完全填充至Ti₃C₂Tx@PVA骨架中，并对组装后的PCM样品通过高压压缩以减少气孔率。
表征与性能评估
利用XRD、扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热仪（DSC）、导热分析及光热转换测试等系统评估复合PCM的热物性、稳定性、形状保持能力及光热性能。
XRD表明复合PCM的晶格间距从纯MXene的1.28 nm扩展到1.52 nm，显示PEG分子链成功插入MXene层间，同时未发生化学反应，证明陷入态结构的PEG具有高化学稳定性。SEM进一步揭示MXene泡沫形成均匀交联的3D多孔网络，而PVA的引入不仅改善了泡沫柔韧性，也提升了样品的形状保持性能。
复合PCM在PEG含量高达94.61 wt%~92.32 wt%的情况下，其潜热保留率R值达到93.2%（30Tpp为95.4%），显著优于传统低成本PEG复合PCM。此外，支持骨架使材料产生微观“限域效应”，限制了PEG分子链的重排行为，从而实现高能量储存密度。
复合PCM的导热系数高达0.428 W/(m·K)，较纯PEG2000提升了423.8%，远超传统碳填充PCM。这一指标的提高归因于： - MXene金属般导电性的本征优势； - 3D多孔泡沫结构形成高效热传导路径； - MXene与PEG分子之间的氢键增强了界面热阻。
复合PCM的光热转换效率高达96.5%，显著高于以往报道的光热PCM材料（如石墨烯或碳纳米管基PCM）。此外，复合PCM表面升温速度快、储热效率高，并在多次热循环后保持优良的热稳定性与化学完整性。
模拟实际使用条件测试证明，复合PCM在35°C~75°C范围内无需外部包覆即可保持固态形状，杜绝了传统PCM熔融泄漏的问题。其卓越的形状稳定性来源于多孔骨架的毛细作用与PEG分子的强界面吸附。
本研究首次实现了高PEG含量、高热导率、高光热转换效率及优异形状稳定性于复合相变材料中的兼容与平衡，同时提出了一种低成本、绿色环保且可扩展的制备策略。这种基于MXene的复合PCM材料不仅为太阳能热能管理系统提供了革新型解决方案，也在储热、节能建筑及可再生能源领域显示出重要的潜在应用价值。
通过建立Ti₃C₂Tx@PVA泡沫的结构导热框架，本研究为多功能MXene基材料在未来太阳能利用中的广泛开发与应用提供了有力的科学支持。