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碳掺杂六方氮化硼（BCN）与聚乙二醇（PEG2000）复合脱 lignin 木材相变材料，显著提升热导率至0.371 W/(m·K)，太阳能热转换效率达85°C，潜热187.5 J/g保持率超95%，为建筑节能提供新方案。
陈刘|李静|白凯文|郭一涛|刘璐泽|严莉|吕珊珊
西北农林科技大学林学院，中国陕西省杨陵市，712100
摘要
基于木材的相变材料复合材料由于其可持续性和环境效益而被广泛用于建筑材料中。然而，它们固有的低导热性限制了其在热能存储和转换方面的有效性。为了克服这一限制，本研究提出了一种创新策略，即将掺碳氮化硼（BCN）和聚乙二醇（PEG2000）结合到脱木质素木材（DW）中，以制备一种新型的复合相变材料（BCN-DW/PEG）。BCN是通过葡萄糖和六方氮化硼（h-BN）合成的。这种策略有效地提高了导热性，同时保持了材料出色的相变储能能力。BCN-DW/PEG的导热性达到了0.371 W/(m·K)，相比DW/PEG提高了106%。此外，由于PEG2000的有效整合，该复合材料还保持了较高的潜热存储能力，为187.5 J/g。此外，BCN-DW/PEG在1太阳光照下250秒内可达到85°C的显著太阳能热转换性能。这种出色的性能归因于BCN和PEG2000的协同效应，它们共同增强了热传导和太阳能热转换能力。总体而言，本研究为节能型非结构建筑的太阳能辅助热管理提供了一种可持续的方法。
引言
随着全球对节能和可持续发展的需求不断增长，能源消耗和环境保护问题已成为全球关注的关键挑战。目前，过度的能源消耗和能源系统的低效率严重影响了全球能源结构的可持续性，其中供暖、制冷和工业过程占据了总体能源需求的很大比例[1]，[2]。最近，开发高效的能源管理和存储技术已成为研究的重点，先进的相变材料（PCMs）作为一种非常有前景的解决方案应运而生[3]。通过其独特的固液相变过程，PCMs能够在相变温度附近高效存储和释放大量潜热，因此在能源系统中发挥着关键作用。特别是在能源供需不平衡的情况下，PCMs可以通过吸收或释放热量来调节温度波动，从而实现能量的空间和时间再分配。这不仅有助于稳定供需关系，还能显著提高能源利用效率并减少能源浪费。此外，PCMs在太阳能热能利用、建筑能源转换和热能存储系统等领域具有广泛的应用潜力，为实现节能和减排目标提供了创新解决方案[4]。因此，高性能PCMs的研发和优化对于推进可持续能源系统具有重要意义[5]，[6]。
聚乙二醇（PEG）是一种常用的固液相变材料，因其高潜热和出色的相变性能而受到广泛关注。作为一种有机化合物，PEG具有明确的相变温度范围和卓越的热循环稳定性，在多次相变循环中都能保持一致的性能[7]。此外，其出色的化学稳定性、无毒性和环境友好性使其非常适合用于能源存储和热管理应用。然而，PEG固有的低导热性严重限制了其热能利用和热管理能力。此外，由于PEG的固液相变，在循环热过程中容易发生泄漏[8]。为了解决这些问题，研究人员通常采用改性策略，如添加高导热性填料、使用多孔基质或通过化学改性来提高其稳定性[9]，[10]。这些方法旨在提高PEG的导热性和形状稳定性，从而确保其在实际应用中的长期有效性[11]，[12]，[13]。
木材因其可再生性、对环境影响小以及多功能特性而在各个领域受到了广泛关注[14]。其天然的三维多孔结构和从微观到纳米级别的层次性孔隙结构，使其成为封装PCMs的理想材料[15]。在天然木材中，轻木因其超轻密度、各向异性的多孔结构和可持续的可再生优势，被开发为高性能的有机PCM封装载体。通过选择性脱木质素和半纤维素处理，轻木的孔隙体积可以增加142%，使得石蜡、脂肪酸或PEG的负载率超过90%，同时在200次冻融循环后熔融泄漏率低于3%，实际相变焓达到理论值的92%[16]，[17]。因此，这种层次性孔隙结构使轻木成为一种理想的三维支架，同时解决了PEG泄漏和形状不稳定的问题，为热能存储应用提供了可靠的尺寸稳定性和热可靠性。尽管基于轻木的PCMs在热管理应用中显示出潜力，但它们在高效的太阳能到热能转换和存储应用方面仍面临几个关键挑战。首先，木材固有的低导热性导致复合材料的充放电速率缓慢，这阻碍了太阳能热转换和存储/释放过程的总体效率[4]。其次，天然木材支架的太阳能吸收能力有限，这从根本上限制了其将阳光有效转化为热能的能力。因此，对基于木材的PCMs进行多功能共改性以同时提高其太阳能吸收和导热性对于推进这一领域至关重要。
为了解决这些挑战，最近的研究集中在两种策略上：在木材细胞壁内构建连续的热传递路径和集成宽带光捕获层。对于构建连续的热传递路径，碳化木材基质和添加导热填料是两种常用的方法。与需要高温处理的木材碳化相比，添加导热填料是一种有效的改性策略[4]，[17]，[18]。将多巴胺-硅烷改性的氮化硼（KH550-DA-BN）接枝到脱木质素轻木的内表面，仅添加6 wt%的填料就能将厚度方向的导热性提高到0.42 W m?1 K?1（约为原始轻木的1105%），且不会降低潜热[17]。为了提高光热转换能力，通常通过涂覆具有光热转换特性的物质或进行碳化来实现[19]，[20]。在真空浸渍前将2 wt%的乌贼墨黑色素纳米颗粒分散在环氧-PEG混合物中，所得到的轻木复合材料在1.0 kW m?2氙光下实现了90.55%的太阳能到热能转换效率，并在100次循环后保持了96%以上的潜热[21]。据报道，在400°C下对脱木质素轻木进行30秒的表面碳化可以形成0.1 μm厚的类石墨层，使基于木材的PCMs具有出色的光热转换能力，并表现出高达191.7 J/g的焓（PCM为十八烷）[22]。
氮化硼（BN）因其高导热性（室温下约为400 W/(m·K)、各向同性的热散射能力、优异的化学稳定性和环境友好性而被广泛用于提高PCMs的导热性[18]，[23]。由于其高导热性，BN可以显著提高基于木材的复合PCMs的导热性，从而提高其储能效率[24]。然而，与石墨烯或碳纳米管（CNTs）不同，尽管复合PCMs具有优异的导热性和光热转换能力，但BN缺乏光热转换能力，这限制了太阳能在这类复合材料中的应用[10]，[25]。为了解决这一挑战并进一步优化基于木材的复合PCMs的热性能，掺碳氮化硼（BCN）作为一种有前景的替代品应运而生。碳掺杂可以在保持BN固有的热和化学性质以及结构特性的同时提高导热性[26]。据报道，碳掺杂可以将BCN的导热性显著提高到约800 W/(m·K)。这种显著的提高主要归因于优化的声子传输路径的形成和减少的声子散射[26]。具体来说，引入的碳原子作为额外的声子散射中心，有效地改变了声子传输的方向，从而减轻了方向性声子非平衡现象。这一机制不仅提高了热传导效率，还为复合材料的热管理提供了新的可能性[27]。除了提高导热性外，BCN还表现出优异的分散性和界面兼容性——这是复合材料应用的另一个关键优势。碳掺改改变了BN的表面化学性质，显著提高了BCN在聚合物基质中的分散性[28]。此外，BCN还表现出优异的热稳定性和高度可调的制备过程，通过控制碳掺杂水平可以进一步优化导热性。与常用的碳基填料（如石墨烯或CNTs）相比，BCN因其综合优势而被选为改性剂。这些优势包括：(i) 提高分散性和与木材纤维素的强界面粘附性，确保复合材料的均匀形成[29]，[30]；(ii) 平衡的性能，提供高效的宽带太阳能吸收（由于碳掺杂）和高的面内导热性，以实现快速的热分布；(iii) 优异的热/化学稳定性，这对于在循环太阳能热操作下的长期可靠性至关重要[31]。这种性质的协同组合使BCN成为解决基于木材的PCMs关键限制的更有效解决方案。
本研究探讨了将BCN作为高导热填料用于基于木材的复合PCMs的创新方法。通过将碳引入BN晶格中，我们旨在结合BCN的优异热性能和碳的独特属性，创造出一种能够提高导热性和光热转换能力的复合填料。在这种策略中，增加BCN中的碳掺杂水平显著提高了基于木材的复合PCMs的导热性，达到了0.371 W/(m·K)，比PEG高出76.7%。该复合PCM还表现出187.5 J/g的潜热、超过95%的相对焓效率以及优异的光热转换能力。即使在100次循环后，相变焓仍保持在95.68%以上。这些出色的性能，包括高能量存储能力、导热性和高效的光热转换能力，使BCN-DW/PEG在太阳能热能存储、建筑能源转换和热管理方面具有广泛的应用潜力。这项工作为提高基于木材的PCMs的热性能提供了新的方法，并为开发可持续、节能型非结构建筑材料提供了宝贵的见解。
材料
轻木（Ochroma lagopus swartz），尺寸为20 mm × 20 mm × 10 mm（长×宽×厚），购自中国广州的Qigao Light Wood Trading Co., Ltd。分子量为2000的聚乙二醇（PEG）购自中国上海的Yien Chemical Technology Co., Ltd。亚氯酸钠（NaClO2，80%）和冰醋酸（CH3COOH，≥99.5%）由中国上海的Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.提供。氮化硼（BN，500 nm）
BCN的形态
图2显示了不同掺杂水平的BN和BCN的宏观形态（左）和SEM图像。比较分析突出了碳掺杂对样品整体形态和微观结构的影响。宏观上，随着碳掺杂浓度的增加，样品的颜色逐渐从白色变为黑色。微观上，BN片层结构变得越来越小且更加破碎，表明
结论
本研究展示了BCN-DW/PEG复合PCMs在高效热能管理和太阳能利用方面的巨大潜力。通过优化葡萄糖衍生的碳掺杂水平，复合PCMs在光热转换、热存储能力和热传递性能方面实现了同时提升。BCN的加入不仅提高了复合材料的导热性，还促进了更均匀和快速的热分布
CRediT作者贡献声明
陈刘：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据分析。李静：撰写——原始草稿、调查、数据分析。白凯文：调查、数据分析。郭一涛：调查、数据分析。刘璐泽：调查、数据分析。严莉：撰写——审稿与编辑、方法论。吕珊珊：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。
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财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢陕西省自然科学基础研究计划（编号：2025JC-YBQN-240）的财政支持。
