来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202511789

01

背景介绍

受植物蒸腾作用启发，水因其高潜热特性，被视为电子设备热管理中极具潜力的被动冷却介质。大多数电子设备的防水性很差，无法直接使用液态水进行冷却。水凝胶中的亲水聚合物骨架有效地解决了冷却介质水的封装问题。由于MXene薄片的高导热性和光吸收特性，MXene基水凝胶表现出优异的光热转换功能，但这些现有的MXene基水凝胶主要依赖于水的主动补充，无法实现自动水合。在现有的吸湿水凝胶中常见的交联网络，例如聚丙烯酰胺（PAAm）、纤维素和聚乙烯醇（PVA），具有差的导热性，这限制了它们对外部热刺激的快速响应能力。因此，用这些常规的吸湿水凝胶实现高效的循环蒸发冷却仍然是一个重大挑战。

02

成果掠影

近日，北京航空航天大学文东升、赵瑾、许迪初团队提出了一种用于合成具有高导热性MXene薄片的水凝胶的策略，该策略能够实现自主水分收集和循环蒸发冷却的双重功能。开发了一个新的LiBr-聚丙烯酰胺/MXene（LiBr-PAAm/MXene）水凝胶的制备方法，首先选择具有高孔隙率和化学稳定性的PAAm作为LiBr吸附剂的三维网络结构，然后将Ti₃C₂Tx MXene（三碳化二钛TxMXene）薄片作为导热填料通过氢键结合到PAAm骨架中，利用MXene表面丰富的亲水性基团，通过对MXene水凝胶的表征实验表明，与不含MXene的水凝胶（Li-PAAm）和其它新提出的水凝胶相比，分子动力学（MD）模拟和吸湿容量测试结果表明，MXene和LiBr在吸湿过程中存在协同效应. MXene水凝胶实现了高效的循环蒸发冷却，优于经测试的商用散热膜和传统的吸湿水凝胶，成为先进热管理的有前途的候选材料。研究成果以“Enabling Autonomous Moisture Harvesting and Cyclic Transpiration Cooling with MXene-LiBr Functionalized Hydrogels for Advanced Thermal Management”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

03

图文导读

图1. a) 具有内部氢键作用的Li-PAAm/MXene水凝胶制备流程示意图。b) 基于Li-PAAm/MXene水凝胶蒸腾冷却-再生过程的热管理策略工作原理。c) 在1500 W.m⁻²热流密度下，模拟热源采用蒸腾冷却与未采用时的温度对比。

图2.a, b) 真空冷冻干燥获得的脱水PAAm和PAAm/MXene水凝胶的SEM图像；c) 70 °C烘箱干燥的脱水Li-PAAm/MXene水凝胶的SEM图像，d) 对应红虚线区域的EDX能谱；e) PAAm水凝胶的TEM图像，f, g) PAAm/MXene水凝胶的TEM图像；h) 脱水PAAm/MXene水凝胶的3D微CT重建图像（整体结构），i) 聚合物骨架区域；j) 3D模型重建后的k) x-y、l) x-z、m) y-z截面；n) 沿z方向的x-y截面表面孔隙率；o) 含/不含MXene的PAAm水凝胶的ATR-FTIR光谱；p) PAAm、PAAm/MXene和Li-PAAm/MXene水凝胶的XPS全谱扫描。比例尺标注：图2a, b) 250 μm，图2c) 30 μm；图2e–g) 200 nm，图2h–m) 500 μm。

图3.a) 不同MXene含量的Li-PAAm/MXene水凝胶的热导率；b) 本研究的Li-PAAm/MXene水凝胶与近期报道水凝胶的热导率对比；c) MXene提升Li-PAAm/MXene水凝胶热导率的机理；d) 去离子水与不同水凝胶（PAAm、PAAm/1.00MXene、Li-PAAm/1.00MXene）的差示扫描量热（DSC）曲线；e) 常压空气环境下（≈23°C，17% RH），含/不含LiBr的PAAm/1.00MXene水凝胶在42小时内的归一化质量比变化；f) Li-PAAm与Li-PAAm/1.00MXene水凝胶的热重分析（TGA）曲线。

图4.a) Li-PAAm/1.00MXene水凝胶在吸湿前后的ATR-FTIR光谱；b) PAAm、PAAm/MXene、Li-PAAm和Li-PAAm/MXene水凝胶在25°C、90% RH条件下15小时内的吸湿动力学曲线；c) Li-PAAm/MXene水凝胶在25°C、不同相对湿度（50%~90%）条件下15小时内的吸湿容量；d) Li-PAAm/1.00MXene水凝胶在25°C、90% RH条件下15小时内的循环吸湿稳定性；e) Li-PAAm模型和Li-PAAm/MXene复合模型的初始构型示意图；f) Li-PAAm和Li-PAAm/MXene复合模型中水分子渗透动力学的分子动力学模拟瞬时截图；g) 基于轨迹分析的两种模型中水分子氧原子均方位移（MSD）对比；h) 通过爱因斯坦关系式计算的自扩散系数（D），量化Li-PAAm和Li-PAAm/MXene体系中水分子迁移率差异；i) Li-PAAm和Li-PAAm/MXene体系在2 ns模拟时间内氢键数量的时间平均值。

图5.a) 用于评估Li-PAAm/MXene水凝胶蒸腾冷却性能的自建热测试平台实物图（编号1-7分别对应：计算机、采集卡、K型热电偶、水凝胶、电子天平、红外热像仪、直流电源）；b) 在1500 W.m⁻²热流密度下，聚酰亚胺基板采用/未采用水凝胶蒸腾冷却720分钟的温度上升曲线；c) 传统冷却材料(CHDF)与水凝胶对聚酰亚胺的降温效果对比（以裸基板为参照）；d) Li-PAAm/1.00MXene水凝胶在不同热流密度（1000/1500/2000 W.m⁻²）下对聚酰亚胺的720分钟控温效果；e) 1500 W.m⁻²加热时CHDF与水凝胶表面的红外热像对比图；f) Li-PAAm与Li-PAAm/1.00MXene水凝胶的归一化质量比变化；g) Li-PAAm与Li-PAAm/1.00MXene水凝胶的逐时蒸腾冷却功率；h) Li-PAAm/1.00MXene水凝胶在5次"工作-休眠"循环中，聚酰亚胺基板的温升曲线与水凝胶质量比变化；i) 蒸腾冷却测试使用的Li-PAAm/1.00MXene水凝胶实物图、加热测试结束后的脱水水凝胶、以及5次循环测试前后再生水凝胶的形态对比。比例尺标注：图5e) 2 cm，图5i) 1 cm。