《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Biomass-Derived SiC aerogel scaffolds for multifunctional phase change Composites: Simultaneous Solar-Thermal energy harvesting and EMI shielding
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高效多功能相变复合材料制备及性能研究，采用土豆生物质经水热凝胶化与原位碳热还原工艺，成功构建三维互联硅 carbide气凝胶骨架，实现液态石蜡97.2%高效封装，热导率提升96.4%，太阳能热转换效率达91.5%，电磁屏蔽效能33.0dB，为绿色建筑与电子防护提供新型多功能材料。
陈万秋|马秦|程飞|邱敬红|杜宗良|徐成|王海波|杜晓生
四川大学生物质量科学与工程学院，成都610065，中国
摘要
开发具有高能量密度和强环境适应性的多功能形态稳定相变材料（PCMs）对于可持续的热管理至关重要。本文报道了一种简便且可扩展的“生物质到陶瓷”策略，用于将土豆衍生的碳化硅（SiC）气凝胶作为基于正十八烷的复合材料（SiCPCMs）的坚固支架。通过顺序的水热凝胶化和原位碳热还原，土豆的天然细胞结构被转化为三维互连的SiC框架。这种刚性的陶瓷网络不仅通过强大的毛细力有效防止液体泄漏，还充当高导电性和介电性的骨架。因此，最佳的SiCPCMs表现出高达234.3 J/g的潜热存储能力以及87.22%的优异封装效率。此外，SiC气凝胶的集成使热导率提高了96.40%，并实现了91.51%的优越太阳能热存储效率。这些复合材料在X波段还展示了33.03 dB的优异电磁干扰（EMI）屏蔽效果。建筑能耗模拟进一步表明，在代表性城市中部署这些SiCPCMs可以减少约42%的冷却能耗。这项工作为将农业生物质升级为高价值多功能陶瓷，用于下一代绿色建筑和电子保护，建立了一个可持续的范例。
引言
日益严重的全球能源危机和对碳中和的雄心勃勃的追求，促进了高效可再生能源利用和管理技术的迫切寻找[1]，[2]。在这种背景下，热能存储（TES）系统已成为解决能源供需在时间和空间上不匹配问题的关键工程解决方案，特别是在建筑节能和太阳能热收集方面[3]，[4]，[5]。相变材料（PCMs），特别是像正十八烷这样的有机固液相变材料，由于其高潜热存储密度和化学稳定性而处于TES研究的前沿[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。然而，原始有机PCMs的实际应用受到两个内在瓶颈的严重阻碍：相变过程中液体成分的泄漏会导致污染和性能下降，以及它们固有的低热导率限制了热充放电的速率[12]，[13]，[14]。因此，开发能够封装液相同时增强热传递的先进形态稳定复合相变材料（FSPCMs）已成为化学工程和材料科学领域的一个关键目标。
为了解决这些缺陷，已经广泛研究了由多孔基质（如碳气凝胶、石墨烯泡沫和二氧化硅框架）支持的复合相变材料的制备。虽然这些多孔支架通过毛细力和表面张力成功减轻了泄漏，但现代电子设备和智能建筑的要求超出了简单的热调节[15]，[16]，[17]。随着无线通信和电子设备的普及，电磁干扰（EMI）已成为一个重要的污染源，干扰设备运行并危害人体健康。因此，迫切需要集成高效热管理和强大EMI屏蔽能力的“多功能”复合材料[18]，[19]，[20]。在潜在的候选材料中，碳化硅（SiC）作为一种优异的陶瓷材料脱颖而出。与可能在高温下氧化的传统碳载体或缺乏机械刚性的聚合物载体不同，SiC结合了高热导率、优异的热稳定性、抗氧化性和独特的介电损耗特性，有利于减弱电磁波。然而，传统的多孔SiC合成方法，如使用昂贵的预陶瓷聚合物或高温反应键合，通常能耗高且成本高昂，不适合大规模的PCM应用[21]，[22]，[23]，[24]。
遵循绿色化学和可持续工程的原则，生物质增值为克服先进陶瓷的成本和合成挑战提供了一条有前途的途径[25]，[26]，[27]，[28]。自然界提供了以生物质形式存在的丰富层次多孔结构库，这些结构可以转化为功能性碳质材料[29]，[30]，[31]，[32]，[33]。然而，将生物质直接转化为SiC气凝胶——同时保持高PCM负载所需的高度多孔、三维互连结构——仍然是一个技术挑战[34]，[35]。大多数基于生物质的路线仅停留在碳气凝胶阶段，未能获得SiC陶瓷相的增强热和介电优势。需要一种新的工程策略来促进生物质前体的原位碳热还原，同时保持精细的气凝胶网络[36]，[37]。土豆是一种全球丰富的富含淀粉的生物质，具有天然的细胞结构，是一种理想且经济高效的前体。利用土豆组织的自模板性质，可以合成轻质、刚性的SiC气凝胶，这些气凝胶继承了有利于PCM浸渍和声子传输的天然大孔结构[38]，[39]，[40]。
在这里，我们报道了一种简便且可扩展的“生物质到陶瓷”策略，用于将土豆衍生的SiC气凝胶作为多功能相变复合材料（SiCPCMs）的坚固支架。通过水热凝胶化、冷冻干燥和高温碳热还原的顺序过程，天然生物质结构成功转化为三维互连的SiC框架。这种陶瓷框架不仅确保了封装的正十八烷的优异形状稳定性（即使在熔点以上也能防止泄漏），还充当了导电和介电网络。所得到的SiCPCMs表现出高潜热存储、显著提高的热导率、高效的太阳能到热能转换以及优异的EMI屏蔽性能的协同组合。这项工作不仅为将农产品升级为高价值陶瓷气凝胶提供了一条可持续的途径，还为设计下一代节能建筑和电子设备的多功能热管理材料建立了新的范例。
材料
本研究中使用的土豆来自中国四川省。纯正十八烷（C18H38，99%）作为有机PCM，由中国武汉凯米克生物制药科技有限公司提供。本研究中使用的碳粉（99%）由中国上海阿拉丁生化科技有限公司提供。所有实验中使用的去离子水均在我们的实验室制备。每种化学品均按原样使用，无需额外纯化。
生物质衍生碳气凝胶的制备
SiC气凝胶的形态和化学结构
首先通过FTIR光谱（图2a）研究了从碳质前体到陶瓷气凝胶的化学转化。CA气凝胶和SiC气凝胶在1650 cm?1附近都显示出宽吸收带，这归因于来自生物质碳化的残留C=O基团的伸缩振动。关键的是，SiC气凝胶的光谱在840 cm?1处显示出一个新的明显峰，归属于Si–C伸缩振动。这一特征直接证明了成功的碳热还原
结论
在这项工作中，成功开发了一种可持续的“生物质到陶瓷”策略，通过原位碳热还原将土豆生物质转化为坚固的碳化硅气凝胶。这些气凝胶作为正十八烷的优异支架，通过其三维互连的多孔结构内的强大毛细限制有效防止了液体泄漏。所得到的SiCPCMs表现出卓越的潜热存储能力（高达234.3 J/g）以及高封装效率
CRediT作者贡献声明
陈万秋：撰写 – 原始草稿，数据管理，概念化。马秦：软件，形式分析。程飞：验证，监督。邱敬红：撰写 – 审阅与编辑，验证。杜宗良：验证，监督。徐成：验证，监督。王海波：可视化，监督，概念化。杜晓生：撰写 – 审阅与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52173260）和四川省自然科学基金（编号：2026NSFSC0064）的资助。我们感谢四川大学分析检测中心的王辉在SEM方面的帮助。同时，我们也感谢四川大学生物质科学与工程学院的邓莎和周米在实验测试方面的协助。
