1成果简介 

　　太阳能作为最丰富的可再生能源，其高效利用是解决能源危机和碳排放问题的关键。然而，太阳能具有间歇性、波动性和低能量密度等固有缺陷，直接利用效率有限。太阳能-热电转换（Solar-Thermoelectric Conversion）将太阳光转化为热能，再通过热电发电机（TEG）将热能直接转化为电能，是一种极具前景的太阳能全光谱利用技术。

　　然而，太阳能-热电转换系统面临三大核心挑战：(1) 太阳能吸收与热局域化不足——传统太阳能吸收材料（如炭黑、石墨）光热转换效率有限，且热量易散失，难以在TEG热端维持稳定高温；(2) 热管理失配——TEG需要在冷热端维持稳定温差，但太阳光照的波动导致温差不稳定，输出功率波动大；(3) 系统集成复杂——光热吸收、热管理、热电转换三个功能模块通常分立设计，系统体积大、热阻高、效率低。相变材料能在恒温下吸收/释放大量潜热，是理想的热能存储与温度调节介质。将PCMs与光热材料和热电模块集成，可同时实现太阳能吸收、热能存储和温度调节，为解决上述挑战提供了新思路。然而，传统PCMs存在导热系数低、易泄漏、形状稳定性差等问题，限制了其在太阳能-热电系统中的应用。MXene（Ti₃C₂Tₓ等）作为新兴的二维过渡金属碳化物，兼具超高导电性、优异光热转换能力和可调表面化学，是构建多功能复合材料的理想平台。碳纳米管则提供超高导热网络和力学支撑。将CNT与MXene复合构建气凝胶骨架，再浸渍相变材料，可望同时解决光热吸收、热传导增强和相变材料封装三大难题。

　　本文，上海第二工业大王继芬教授团队在《ACS Applied Nano Materials》期刊发表名为"CNT/MXene Aerogel Phase Change Composites for Efficient Solar–Thermoelectric Conversion"的论文。该研究创新性地构筑了CNT/MXene气凝胶相变复合材料，将太阳能光热吸收、相变储热和热电转换三功能一体化集成，实现了高效稳定的太阳能-热电转换。

　　该工作的核心创新在于：(1) 三功能一体化集成——CNT/MXene气凝胶同时作为光热吸收层、导热增强网络和相变材料封装载体，实现了太阳能-热电系统的紧凑高效设计；(2) CNT/MXene协同增强——CNT提供超高导热通路和力学支撑，MXene提供优异光热转换和界面热阻降低，二者协同实现光热-导热双重优化；(3) 相变热管理——PCMs在光照期间储存过剩热能、在无光照时释放热能，为TEG提供稳定热输入，显著提升输出功率稳定性；(4) 全光谱利用——CNT/MXene气凝胶的宽光谱吸收特性实现了太阳光从紫外到红外的全光谱利用。

　　2图文导读  

　　图1. Schematic diagram of the preparation of C20/CMPA composite materials.

　　图2. (a) FTIR spectra of CNT, PVA aerogel, and CMPA. (b) FTIR spectra of pure C20, C20/PVA, C20/CNT/PVA, and C20/CMPA composite materials.

　　图3. (a) XRD patterns of CNT, PVA aerogel, and CMPA. (b) XRD curves of pure C20, C20/PVA, C20/CNT/PVA, and C20/CMPA composite materials.

　　图4. SEM images of (a) C20/PVA, (b) C20/CNT/PVA, (c) C20/CMPA1, (d) C20/CMPA5, (e) C20/CMPA7, and (f) C20/CMPA10.

　　图5. Thermal storage performance of PVA, C20, C20/PVA, C20/CNT/PVA, and C20/CMPA (a) DSC thermogram and (b) phase change enthalpy, enthalpy efficiency, and enthalpy retention rate. Error bars represent SD (n = 3). (c) Phase change temperature and (d) DSC curve of C20/CMPA7 phase change composite material in a thermal cycling test. Notes: (1) C20, (2) C20/PVA, (3) C20/CNT/PVA, (4) C20/CMPA1, (5) C20/CMPA3, (6) C20/CMPA5, (7) C20/CMPA7 and (8) C20/CMPA10.

　　图6. (a-b) UV–vis–NIF absorption spectra of CMPA and C20/CMPA. (c, d) Photothermal conversion curves of aerogel phase change composites.

　　图7. (a) Schematic diagram of the designed solar–thermal–electrical energy conversion device; (b) voltage–time curve; and (c) current–time curve of the C20/CMPA7 composite material when the light intensity is 1.5 kW m–2.

　　3小结 

　　在本研究中，通过冷冻干燥和浸渍法成功制备了形态稳定的CPCM，有效解决了材料渗漏的问题。所制备的CPCM具有较高的蓄热密度。通过引入碳纳米管（CNT）和MXene纳米片，CPCM的太阳能热转换效率得到了显著提升。具体而言： (i) C20/CMPA7的潜热值达到约195.2 J g–1。经过100次相变循环后，其潜热值仅下降5.15 J g⁻¹，展现出优异的储热性能、热稳定性和形状稳定性；(ii) 碳纳米管的光吸收能力与MXene材料的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，赋予C20/CMPA7卓越的光热转换能力，达到97.71%，显示出优异的光热灵敏度； (iii) 应用于太阳能热发电机时，C20/CMPA7的表面温度在1500 s时可达70.7 °C，2000 s内的输出电压和电流分别为343.36 mV和31.31 mA。尽管结合冻干和真空浸渍的当前合成路线在能源消耗和成本方面仍面临大规模生产的挑战，但通过优化干燥工艺、探索连续制备策略以及开发低成本前驱体，仍可实现该系统的经济可行生产。凭借碳纳米管（CNT）与MXene的协同增强效应，C20/CMPA7在太阳能热电转换领域展现出广阔的应用前景。

　　文献：