郑州大学王建峰/王万杰ACS Nano：可被动辐射加热的MXene/nanoPE织物用于个人精准热管理

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通过加热供暖使人体温度保持相对恒定对于人体热舒适以及各种人体功能的正常运行至关重要。目前，室内供暖耗能约占全球能源消耗的47%。但传统的加热供暖形式（空调、集中供暖、燃煤取暖）能耗高且能源利用率低，大量能源浪费在加热无生命特征的空间和物体上，加剧了全球能源危机和气候变暖。开发高效节能并能精准加热人体的供暖系统和材料对于缓解能源危机和气候变暖具有重要意义。

人体发射的中红外热辐射（波长7-14 µm）约占人体热量损失的50%。传统纺织品的红外发射率较高，人体产生的大部分热辐射可以轻松地发射到外界。通过控制可穿戴织物的红外发射率可以减少红外热辐射损失，进而实现零能耗的人体被动辐射加热。近年来，被动辐射加热受到越来越多的关注。但除了室内供暖，在户外保持人体热舒适同样重要。然而，由于户外环境和气温等影响因素的不可控，单一的被动辐射加热模式无法满足人体在复杂环境下的加热需求。

近日，郑州大学材料学院王建峰副教授和王万杰教授团队通过将零能耗的被动辐射加热模式、节能的太阳能加热模式和补偿型焦耳加热模式集成到一个可穿戴加热系统中，展示了一种高效节能的全天候个人精准加热策略。本文将具有红外低发射率特性的Ti₃C₂T_x MXene修饰在纳米多孔聚乙烯（nanoPE）织物表面，厚度为12 μm的MXene/nanoPE复合织物在7-14 μm的红外发射率仅为0.176，赋予其优异的室内被动辐射加热性能，与厚度为576 μm的传统棉织物相比加热温度提高了4.9 ℃。同时，由于MXene具有较高的光热转换效率和电导率， MXene/nanoPE复合织物的室外光加热温度和电加热温度分别达到73.5 ℃和55 ℃（5V），且这三种加热模式可以轻松切换或任意组合，使得MXene/nanoPE织物能够在室内/室外、白天/夜晚、晴天/阴天等多种场景下精准加热人体。此外，MXene/nanoPE织物还表现出优异的可穿戴性能，包括机械强度、透气性、防风能力、阻燃性、电磁干扰屏蔽、抗菌、速干等，展示了其在个人精准热管理领域的巨大应用前景。该研究以“Ti₃C₂T_x MXene-Decorated Nanoporous Polyethylene Textile for Passive and Active Personal Precision Heating” 为题发表在最新一期的《ACS Nano》上（DOI:10.1021/acsnano.1c00903）。

图1. 图文摘要

图2. （a）传统织物和（b）MXene/nanoPE织物覆盖的人体皮肤上的传热示意图；（c） MXene/ nanoPE织物的制备流程图；（d）NanoPE和MXene/nanoPE织物的电子图片。（e）大尺寸MXene/nanoPE织物的电子图片；（f）NanoPE和（g）MXene/nanoPE织物的SEM图和水接触角。

图3. MXene/nanoPE织物的室内被动辐射加热性能。

作者对比了MXene/nanoPE织物与其他织物和薄膜的红外发射率和室内被动辐射加热性能。MXene/nanoPE织物在7-14 μm范围内的发射率仅为0.176，远低于传统棉织物（0.931）。此外，在室内被动辐射加热测试中，厚度仅为12 μm的MXene/nanoPE织物覆盖的人造皮肤温度达到了42.1 ℃，高于棉织物的37.2 ℃，实际人体皮肤温度测试中，MXene/nanoPE织物的辐射加热性能仍比棉织物高1.6 ℃。将MXene/nanoPE织物放置在人体上，在红外热成像中呈现出颜色较暗的现象，进一步说明了其红外低发射特性和辐射加热特性。

图4. MXene/nanoPE织物的室外光加热性能

UV-vis-NIR测试表明，MXene/nanoPE织物在太阳光波段有很高的吸收率，在可见光波段（400-780 nm）的吸收率高达0.913。作者分别在晴天和阴天进行了室外光热实验，结果表明，MXene/nanoPE织物的光加热最高温度可达73.5℃，明显高于其他织物，证明了MXene/nanoPE织物优异的光热转换能力。

图5. MXene/nanoPE织物的电热性能和多种模式结合加热性能。

同时，MXene/nanoPE织物因其较高的电导率而展现出优异的电加热性能。对MXene/nanoPE织物施加直流电压，MXene/nanoPE织物表面温度迅速增加，在5V时达到了55℃，并在梯度升降电压实验中展现了优异的电热响应性和可调节性。室内外进行的多种模式结合的加热实验结果表明，三种加热模式可进行自由切换，在室内辐射加热和电热模式结合的加热实验中，最高温度达到了74.4℃，在室外三种模式结合加热实验中，最高温度超过了90℃。在长时间测试中，调节电压可以有效的对加热能力进行补偿以满足不同场景加热需求（如光照减弱等）。一维稳态传热模型分析结果表明，MXene/nanoPE织物的辐射加热能力与织物内、外表面的红外发射率有关，其中外表面发射率的影响更大。在引入光热和焦耳热后，净辐射热流值有明显提升，加热能力明显提高，与实际实验结果相一致。

图6. MXene/nanoPE织物的可穿戴性能。

水汽透过率、防风、拉伸、水洗浸泡、速干、电磁干扰屏蔽、阻燃和抗菌等测试结果表明， MXene/nanoPE复合织物具有优异的可穿戴性。

该论文第一作者为郑州大学材料学院2019级硕士生石梦科，通讯作者为郑州大学材料学院王建峰副教授和王万杰教授。研究得到国家自然科学基金、中国博士后特别资助/面上基金、河南省重点研发与推广专项、高分子材料工程国家重点实验室开放课题等项目支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00903

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