MXene喷涂涂层可以利用红外辐射进行加热或冷却

由德雷克塞尔大学领导的一个国际研究团队发现，MXene的薄涂层——一种在德雷克塞尔大学发现和研究了十多年的二维纳米材料——可以增强材料的吸热或散热能力。这一发现与MXene调节环境红外辐射通过的能力有关，可能会推动保暖服、加热元件和用于辐射加热和冷却的新材料的进步。

该小组包括Drexel的材料科学和光电子学研究人员以及宾夕法尼亚大学的计算科学家，最近在《今日材料》杂志上发表了一篇题为“MXene红外特性的多功能性”的论文，阐述了其与MXene相关的辐射加热和冷却能力的发现.

“这项研究揭示了MXene材料多功能性的另一个方面，”杰出大学博士和德雷克塞尔工程学院巴赫讲座教授YuryGogotsi说，他是该研究的负责人。

“MXene涂层具有抑制或发射红外辐射的特殊能力，同时保持极薄——比人的头发薄200-300倍——重量轻且柔韧，可以在局部热管理和大规模辐射加热和冷却系统中找到应用。被动红外加热和冷却与传统的主动加热和冷却相比具有显着优势，后者需要电力才能发挥作用。”

MXenes是二维纳米材料家族，最初由Drexel研究人员于2011年发现，由于其成分和二维结构，已逐渐证明其在导电、储存电能、过滤化合物和阻挡电磁辐射方面表现出色，以及其他功能。多年来，材料科学家生产并广泛研究了具有各种化学成分的MXenes，从而发现了许多应用。

在他们最近的论文中，该团队测量了10种不同的MXene成分帮助或阻碍红外辐射通过的能力——一种称为“发射率”的指标——这与它们被动捕获或消散环境热量的能力相关。

“我们从之前的研究中了解到，MXenes不仅仅能够反射或吸收无线电波和微波辐射，因此研究它们与波长更短的红外辐射的相互作用是下一步，”联合创始人DanzhenZhang说。-Gogotsi实验室的博士研究员和该论文的合著者。

“能够控制红外辐射通过的优势在于，我们可以将这种类型的辐射用于被动加热——如果我们可以控制它——或被动冷却——如果我们可以消散它。我们测试的MXenes表明它们可以两者都做，取决于它们的元素组成和原子层的数量。”

根据TetianaHryhorchuk的说法，与当今市场上可用的被动冷却材料相比，这些材料允许来自身体的热红外辐射(体热)通过其轻质和多孔的纺织品成分逸出，MXene涂层纺织品可以做得更好，Gogotsi实验室的博士研究员，也是该研究的合著者，因为这些涂层纺织品具有反射外部红外辐射的额外能力，可以避免阳光加热，同时还可以让身体发出的红外辐射通过。

研究人员发现，碳化铌MXenes可以有效散热，而碳化钛则表现出出色的隔热性能，在110度电炉上加热5分钟后，温度仅升至43摄氏度。

“像碳化铌那样的高发射率在电介质材料中也是可能的，”Gogotsi说。“然而，MXenes将这种能力与导电性结合在一起，这意味着这些MXenes也可以用作有源电加热元件，并提供外部电源。”

发现碳化钛MXene涂层可以增强材料抵抗红外辐射穿透和发射的能力。在测试中，涂有MXene的材料，即使是薄涂层，在屏蔽红外辐射方面的表现也优于抛光金属，而抛光金属是目前性能最好的商业材料。这意味着MXenes可以集成到轻便的衣服中，让穿着者在极端环境中保持温暖。

为了测试它，该团队用碳化钛MXene溶液染色了一件棉质T恤，并使用红外热像仪监测穿着它的人的体温。结果表明，与穿着普通T恤的人相比，涂有MXene的衬衫可以让穿着者保持约10-15摄氏度的温度(大约室温)。

这些结果表明，涂​​有MXene的服装可有效保持体温，同时还具有通过比大多数保暖服装所需的相对更容易的浸涂工艺进行应用的优势。

“商业保暖服使用导热系数低的非常细的聚合物纤维——例如羊毛，”Gogotsi实验室的博士研究员、在纺织品方面具有专业知识的LingyiBi说。“它们通过最大限度地减少通过织物的热传递来让我们保持温暖，要有效地做到这一点，它们必须非常厚。但是MXene主要通过防止身体热量以红外辐射的形式逸出来让我们保持温暖。因此，比丝绸更薄的MXene涂层可以提供有效的保暖。这与跑步者在寒冷天气比赛后获得的聚酯薄膜保暖毯所使用的原理相同。”

Gogotsi建议，红外线阻挡功能还可用于伪装人员和设备以防热探测设备，或通过仅红外阅读器可见的射频识别码秘密传输信息。

该团队计划继续研究MXene的IR阻挡和发射行为的潜在机制，并测试具有不同化学成分的MXene，以优化它们作为辐射加热和冷却材料的潜力。

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