编辑推荐：
MXene-CNFs-PEG复合相变材料通过超声辅助与离子交联法制备，利用一维CNFs与二维MXene的氢键及金属离子交联形成三维连续网络，有效解决泄漏问题并提升热导率和光热转换效率，兼具柔韧性与3D打印适用性。
任世兵|马行歌|楚亮|王瑞|李敏|杨牧|王戈
北京科技大学材料科学与工程学院分子与结构构建功能材料重点实验室，中国北京100083
摘要
动态离子键通过化学键的可逆断裂和重组有效解决了相变材料的泄漏问题，提供了一种高效且环保的制备方法。在本研究中，我们采用超声辅助和离子交联的方法成功制备了MXene-CNFs-PEG复合相变材料（PCMs）。该策略利用了一维纤维素纳米纤维（CNFs）与二维Ti3C2Tx（MXene）纳米片之间的强分子间氢键作用，并结合金属离子交联，形成了一个连续的三维网络，有效固定了有机相变材料。这显著减少了MXene的聚集，延缓了氧化过程，并提高了整体结构完整性。非刚性网络结构赋予了材料在固态下的优异塑性，使其成为3D打印的理想前体，能够精确构建复杂结构。MXene具有优异的光热转换效率，实现了“光热电”能量转换的集成，成功驱动了常见电子设备的运行。这种复合相变材料在3D打印和多级能量转换系统等领域具有重要的应用价值。
引言
有机相变材料（PCMs），如聚乙二醇[1]（PEG）、石蜡[2]、[3]和烷烃，由于其高相变焓、可调的相变温度、较低的过冷度和优异的生物相容性，已成为热能存储研究的热点。然而，低热导率、弱光热响应和泄漏问题严重限制了它们的实际应用。
研究人员通过引入高热导率填料[4]和利用多孔材料的毛细力[5]、[6]来改善热传递性能。当前的研究强调通过多尺度结构调整来优化性能。这种方法涉及通过引入石墨烯[7]、氮化硼（BN）[8]、[9]和碳纳米管[10]、[11]等高热导率材料来构建导热网络，以提高传输效率。通过利用多孔网络框架的毛细力和孔表面与相变材料之间的界面相互作用，有机PCMs得到了协同固定。这提高了能量存储密度、热导率和光热转换效率，成为复合相变材料的关键合成方法。值得注意的是，基于多孔材料的PCMs依赖于有机PCMs的真空浸渍，导致制备过程复杂。动态离子交联方法通过引入带相反电荷的金属离子或功能材料来中和静电排斥并恢复动态平衡，为复合相变材料提供了一种新的方法[12]、[13]。邱[14]等人首次通过原位钙交联GO制备了具有三维多孔网络结构的GO/PEG复合PCMs，所得材料表现出99.5%的高热能存储密度和63%的增强热导率。同样，曹[15]等人通过将MXene与SA彻底混合后用金属离子交联，开发了SA/MXene复合材料。尽管相关研究取得了显著进展，但在材料的可持续性和环境友好性方面仍存在巨大挑战。特别是如何在制备过程中有效利用低维材料的优势仍需进一步探索。
在此，我们创新性地开发了一种仿生复合系统，将纤维素纳米纤维（CNFs）与MXene结合。超声辅助方法促进了通过分子间氢键形成初级结构单元，而动态离子交联网络促进了1D CNFs和2D MXene纳米片的协同自组装。该策略使得PEG在MXene-CNFs-PEG水凝胶网络中得以原位固定。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，Fe介导的对齐作用引导CNFs形成了二维编织结构，CNFs和MXene片层表现出拓扑互锁。通过低温干燥过程，复合材料实现了“熔融态下的局部键合，固态下的全局交联”。因此，MXene-CNFs-PEG复合材料表现出卓越的热能存储能力、接近完美的光热转换效率以及集成的光热电多级能量转换能力。其非刚性骨架使其成为3D打印的理想前体。这些独特优势使其成为柔性热管理、太阳能存储和转换以及其他先进应用的理想候选材料。
材料
MAX Ti3AlC2（200目）购自吉林亿益科技有限公司；LiF（99.99%金属基）和FeCl3·6H2O（99%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司；HCl溶液（AR）由国药化学试剂有限公司提供；PEG-4000购自上海源叶生物科技有限公司；TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基，97%）、溴化钠（99.9%金属基）和次氯酸钠溶液（有效氯含量≥5.0%）也均已采购。
MXene、CNFs和MXene-CNFs气凝胶的制备与表征
CNFs采用TEMPO氧化法制备（图1a）。原子力显微镜（AFM）图像（图2a）显示CNFs具有均匀的一维线性形态，长度为100–500纳米，宽度为14–24纳米，长宽比约为10–20。水分散液的Tyndall效应（图2a，插图）表明它们在水中的分散性优异，说明纳米纤维表面有丰富的官能团[16]。X射线衍射（XRD）图谱（图S1）显示出其特征性
结论
总之，本研究通过离子交联策略制备了MXene-CNFs-PEG复合相变材料，采用了一种高效且环保的制备工艺，实现了“熔融态下的局部键合和固态下的全局交联”。CNFs的加入通过改善流变性能、有效抑制MXene的自堆叠和延缓氧化过程，显著提高了复合材料的稳定性。
CRediT作者贡献声明
任世兵：撰写——原始草稿，实验研究，数据管理。
马行歌：软件处理，数据分析。
楚亮：方法设计，数据分析。
王瑞：方法设计，数据管理。
李敏：方法设计，数据管理。
杨牧：撰写——审稿与编辑，项目管理。
王戈：结果验证，项目管理，资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金的资助（编号：51890893）。
