由海藻酸钠与MXene/聚乙二醇插层复合而成的夹层结构多孔泡沫：光热转换、相变储能及电磁干扰屏蔽性能

《Carbohydrate Polymers》：Sandwich-structured porous foam from sodium alginate-intercalated MXene/polyethylene glycol: Photothermal conversion, phase change storage and electromagnetic interference shielding

钠 alginate 介导的 MXene/PEG 多层复合泡沫通过氢键和金属离子交联实现热存储（165.47 J/g）、光热转换（93.35%）和电磁屏蔽（>70 dB），其定向冷冻干燥构建的沙皇结构赋予优异形状稳定性和多频段屏蔽性能。

　　

牛成哲|李明宇|潘高飞|卢静文|于慧涛|葛鑫|冯伟

内蒙古科技大学材料科学与工程学院，包头，014010，中国

摘要

将光热转换、热存储和电磁干扰（EMI）屏蔽集成到多孔泡沫中，满足了人们对多功能高性能复合材料的需求。在这项工作中，通过将海藻酸钠（SA）插层到MXene和聚乙二醇（PEG）之间，然后通过与Ca²⁺、Ce³⁺和La³⁺离子的氢键或配位作用，制备了PEG/MXene/SA水凝胶。经过定向冷冻干燥后，获得了一种具有独特三明治结构微孔结构的泡沫材料。该材料表现出优异的形状稳定性。含有90% PEG的复合材料具有高达165.47 J/g的潜热值和97.17%的相对潜热效率，显示出卓越的动态温度调节能力。其光热转换效率最高可达93.35%。在PEG含量高达50%时，该复合材料表现出优异的电磁干扰（EMI）屏蔽性能。在8.2–12.4 GHz频段内，SM@P3-H（含30% PEG）和SM@P5-H（含50% PEG）样品的总屏蔽效果（SET）值超过70 dB，最大值分别为86.47 dB和76.51 dB。由于其出色的性能，这种复合材料在电子设备的热管理和电磁保护方面具有广阔的应用前景。

引言

第四次工业革命和信息技术的进步加速了消费电子、智能家居和新能源技术的广泛应用。电子设备向更高功率、更高密度和更小尺寸发展的趋势带来了散热和电磁干扰（EMI）等挑战，这些挑战对人类健康和设备性能构成了风险（Li, Yang等人，2022；Shi, Jia等人，2025；Sun等人，2023；Wang等人，2021；Wang, Li等人，2024）。在民用领域，对具有多种功能的材料需求日益增长：形状稳定性、高潜热和以吸收为主的EMI屏蔽。然而，单一功能的传统材料难以满足这些综合要求（Li, Sheng等人，2022）。多孔泡沫材料由于其独特的三维多孔结构、可调的表面化学性质和低导热性而受到重视（Kang等人，2025；Yu等人，2025），在工业和民用领域有广泛的应用，如微波吸收、能量存储和热绝缘（Jiang等人，2025；Qiao等人，2024）。定向冷冻干燥技术为制备民用多功能材料提供了一种可行的方法，因为它能够控制孔道的排列和功能组分的精确布置（Deville，2008；Deville等人，2006）。这种方法具有加工简单、结构可控和易于扩展的优点，有效平衡了气凝胶的机械强度、功能性和轻质性，从而为开发多功能材料提供了创新解决方案（Chan等人，2022；Hu等人，2025；Miao等人，2025；Shaik等人，2025；Zhang等人，2025）。

海藻酸钠（SA）是一种天然聚合物，具有优异的生物相容性，并且来源丰富。其G-块可以通过离子交联或质子化形成稳定的“蛋盒”凝胶结构。SA分子链富含-COO^?和-OH基团，通过氢键和配位作用与MXene和聚乙二醇（PEG）等功能组分形成稳定的界面结合。此外，SA成本低廉、可再生且环保，是封装相变材料的理想骨架基质。

近年来，在基于SA的复合材料的结构设计和功能集成方面取得了显著进展，但仍存在一些局限性。例如，Ye等人（Ye等人，2022）制备的MXene/SA/CNT复合材料和Li等人（Li, Zou, Feng等人，2025）制备的RGO/SA/PEG相变复合材料的光热转换效率分别为84.95%和85.54%，潜热效率分别为85.34%，潜热值分别为145.54 J/g。这两种材料在300次热循环后仍保持了88.15%和94.92%的相变焓保留率。然而，在封装效果和功能集成方面仍存在不足。He等人（He等人，2025）制备的Co-CNT/SA多层水凝胶在0.7 mm厚度下表现出41 dB的X波段电磁屏蔽效果，吸收贡献超过85%，且具有优异的柔韧性，但缺乏集成的能量存储功能，而且Co纳米颗粒容易氧化，导致性能下降。Wang等人（Wang等人，2025）在MXene/SA复合薄膜中引入了空心“蛋盒”结构，将电磁反射系数降低到0.54，并实现了69.19 dB的屏蔽效果。然而，这种薄膜配置使得难以掺入相变材料，而且SA插层的调节潜力尚未得到充分利用。Zhang等人（Zhang等人，2024）通过一步组装制备的MXene/SA复合材料实现了37.05 dB的屏蔽效果，并具有良好的稳定性和透气性。尽管如此，它没有集成光热能量存储功能，且增加SA含量会降低导电性。Baikousi等人（Baikousi等人，2024）证实，碳骨架稳定的相变材料的实际潜热仅为理论值的65.42%。在基于SA的系统中，光热吸收和能量存储密度的协同优化仍受到弱界面相互作用和功能集成不足的限制。

尽管现有研究已经实现了功能集成，但在优化高热存储、高效光热转换、长期循环稳定性和强EMI屏蔽性能方面仍面临重大挑战。目前的策略主要依赖于单组分基质或物理混合，难以克服这些属性之间的权衡，特别是在长期循环稳定性和高效吸收为主的EMI屏蔽方面。基于上述分析，我们假设通过定向冷冻干燥技术构建具有有序层状结构的多孔泡沫，并将海藻酸钠作为聚乙二醇和MXene层之间的插层剂，有望同时实现高相变焓、高效的光热转换性能和以吸收为主的电磁干扰（EMI）屏蔽能力，同时保持优异的循环稳定性。

为了解决当前研究挑战，并受到多功能泡沫和微层结构设计研究的启发，通过将SA插层到PEG/MXene中间层中来封装PEG，制备了一种复合材料。所得到的多孔泡沫形成了独特的三明治结构多层结构。在本研究中，使用MXene来封装PEG。选择HCl以及Ca²⁺、Ce³⁺和La³⁺作为氢键诱导剂或交联剂（Chunmei等人，2022；Wang, Yang, & Li，2024），以质子化SA或促进其交联，从而进一步将其插层到PEG层中。所得到的多孔泡沫结构以PEG/MXene作为结构支撑层（“面包层”），SA作为插层填充层，增强了封装效果并增加了层间间距，形成了三明治结构的多层交替结构。插层的PEG和SA组分扩大了泡沫中MXene片层之间的层间间距，从而赋予了优异的电磁屏蔽性能和热存储能力。

材料

Ti₃AlC₂（≥98%，>200目），海藻酸钠（SA，纯度A.R.，Mw = 135,000 g/mol，M/G ≈ 1:1），聚乙二醇（PEG，99%，Mn = 7700 g/mol，Mw = 8700 g/mol，ρ = 1.27 g/cm³，燃烧损失 = 0.1%，水分含量 = 0.3%），氟化锂（LiF，纯度A.R.，≥99%）和氯化钙（CaCl₂，96%）购自中国上海的Aladdin公司。盐酸（HCl，37% w/w）由中国邛崃的成都科龙化工有限公司提供。七水合氯化铈（CeCl₃·7H₂O，99.9%）购自

形成机制和微观结构演变

本研究采用了定向冷冻技术（图1b），利用较大的温度梯度引导冰晶的方向生长，促进水凝胶的有序排列，成功制备了具有定向和有序孔壁结构的多孔泡沫材料。该多孔泡沫表现出高度独特的异质骨架形态，其特征是多层三明治结构，同时提出了形成机制（图1c）。

结论

本研究提出了一种新型的PEG相变材料封装策略。采用了一种简单的方法，利用SA作为插层剂将PEG夹在MXene层之间。通过水凝胶制备和冷冻干燥，在由SA和MXene构建的独特多层结构中实现了高效的PEG封装，这与传统的封装方法有显著区别。所得到的复合材料表现出高

CRediT作者贡献声明

牛成哲：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据分析，概念化。李明宇：撰写 – 原稿，研究，数据分析，数据分析。潘高飞：监督，资源，方法学，研究。卢静文：研究，数据分析。于慧涛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据分析，概念化。葛鑫：撰写 – 审稿与编辑，撰写 –

未引用参考文献

Cao等人，2025

Fang, Zeng, Shao和Hu，2023

Lin等人，2024

Mu等人，2024

Wang等人，2024

Wang等人，2024

Weng, Su, Lin, Huang和Min，2023

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢内蒙古自治区自然科学基金（2023MS05042）、内蒙古科技大学基础研究基金（2023QNJS005）、内蒙古自治区重点研发与成果转化项目（2023YFHH0094）、国家自然科学基金（52303101）、广西重点研发计划（GuiKeAB24010262）提供的财政支持。