郑州大学王万杰/王建峰ACS Nano：只需薄约1 μm的MXene涂层，轻松实现全天候人体精密供暖

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正常情况下，人体大约 50% 的热量损失是通过向外辐射中红外线实现的。要减少红外辐射损失，一种有效的策略便是调控我们身上纺织品衣物的中红外辐射率，从而实现人体被动辐射加热（PRH）。与传统的加热策略相比，PRH具有不消耗能量、更加精确和有效等优点。比如2017年崔屹教授课题组发明了一种神奇的“布料”---人体辐射式加热/制冷双模织物，不需要任何外界能量输入，便可以调节辐射量的多少，具有正穿保暖，反穿降温的功效。

尽管这种智能纳米纺织品具有较高的中红外发射率，但人体产生的热辐射可以通过它轻松发送到寒冷的外太空（图 1a）。因此，在室外环境中PRH的最大保暖能力是有限的，导致其很难单独应对复杂的天气环境。尤其是在昼夜（白天/黑夜）和天气（晴天/阴天）变化极大的情况下，很难实现对人体进行精确加热。因此，开发能够以高效节能的方式，全天候精确加热人体的材料和系统对于缓解能源危机和全球变暖至关重要。

图1. 覆盖有传统纺织品和MXene/nanoPE纺织品的人体皮肤传热示意图，以及MXene/nanoPE 纺织品的制备流程及表征。

为了解决上述问题，郑州大学王万杰教授和王建峰副教授团队报道了一种高效节能的全天候个人精确供暖策略：通过在廉价的纳米多孔聚乙烯 (nanoPE) 纺织品涂覆薄的Ti₃C₂Tx Mxene涂层（1 μm），成功将不消耗能源的PRH、节能型太阳能加热和补偿性焦耳加热等三种供暖模式集成到可穿戴MXene/nanoPE纺织品（12 μm）系统中（图 1b）。

得益于MXene 的低中红外发射率特性、高光热转换效率和导电性，MXene/nanoPE 纺织品不仅具有出色的室内 PRH 性能，还表现出优异的主动太阳能加热 (73.5 °C) 和焦耳加热 (55 °C，5 V) 能力。令人印象深刻的是，三种加热模式可以轻松切换或任意组合，使MXene/nanoPE纺织品能够在各种场景中全天候精确地为人体供暖。此外，所获得的 MXene/nanoPE 纺织品还表现出优异的耐磨性能，包括机械强度、透气性、防风能力、阻燃性、电磁干扰屏蔽、抗菌性能、快干等，是未来人体精密热管理的理想候选材料和系统。研究成果以“Ti3C2Tx MXene-Decorated Nanoporous Polyethylene Textile for Passive and Active Personal Precision Heating”为题，发表在纳米材料领域著名期刊《ACS Nano》上。

要点解读

01 MXene/NanoPE 纺织品的制备和形貌表征

制备流程（图1c）：研究人员首先在nanoPE织物表面原位聚合一层聚多巴胺 (PDA)，形成亲水表面；随后只需简单地在PDA改性的nanoPE织物表面喷涂 MXene 溶液，即可制成MXene/NanoPE 纺织品。该方法简单并且适用于大规模制备 MXene/nanoPE 纺织品（图 1d-e）。

形貌特征：SEM结果表明，nanoPE具有纳米多孔结构，孔径范围为 50 到 1000 nm（图 1f）。喷涂工艺后，MXene纳米片均匀地涂覆在nanoPE表面（图1g），并表现出高亲水性。此外，MXene 涂层的厚度约为 1 μm，而 MXene/nanoPE 织物的总厚度约为 12 μm。

02 MXene/NanoPE 纺织品集被动辐射加热、太阳能加热和焦耳加热能力于一身，可自由切换或整合，全方位精确地为人体供暖

被动辐射加热能力：研究发现， Mxene具有低中红外发射率特性，MXene/nanoPE纺织品中MXene侧和nanoPE侧7-14 μm处的平均中红外光谱发射率分别为0.176和0.267，远低于传统棉纺织品的（0.931 )。同时，与厚度高达576 μm的传统棉织物相比，薄如12 μm厚的MXene/nanoPE纺织品表现出优异的室内PRH性能，温度提高了4.9 °C。

图2. MXene/nanoPE纺织品的被动辐射加热能力

太阳能加热性能：由于 MXene 具有较高的太阳能吸收和光热转换能力，不论是在阳光充足的晴天，还是在夜间或阴天，MXene/nanoPE 纺织品均表现出较其他纺织品更好的保暖能力（图3）。即使在阴天，MXene/nanoPE纺织品的峰值温度也可以达到54.0 °C，分别比棉花、Mylar毯子和nanoPE纺织品高5.7、18.2和16.5°C。这充分说明，MXene/nanoPE 纺织品可以在室内和室外、白天和黑夜、晴天和阴天以无能量输入或节能的方式精确地加热人体。

图3. MXene/NanoPE 纺织品的太阳能加热性能。

焦耳加热能力：此外，MXene/nanoPE 纺织品还具有 2800 S m^-1的高电导率，表现出出色的焦耳加热能力，使其能够应对寒冷的冬天或下雨天。研究发现，在施加 1、2、3、4、5 和 6 V 的安全电压后，MXene/nanoPE 纺织品的温度在短时间内便分别达到 27、30、35、43、55 和 83 °C，表现出快速的热响应和高效的电热转换。此外，MXene/nanoPE 纺织品的焦耳加热性能灵敏且可调，可以轻松地从 1 到 5 V 或从 5 到 1 V 切换以获得所需的加热温度（图 4b）。

图4. MXene/NanoPE 纺织品的焦耳加热性能。

令人印象深刻的是，这三种加热模式可以轻松切换或任意组合，使MXene/nanPE纺织品能够在室内和室外、白天和黑夜以及晴天和多云等各种场景下精确加热人体。

03 MXene/NanoPE 纺织品具有出色的耐磨性，满足实际使用的需求

为了探究MXene/NanoPE 纺织品的实际使用情况，研究人员对其耐磨性能进行了评估。如图 5a 所示，MXene/nanoPE 纺织品具有出色的透气性（2.22 mg cm^-1 h^-1），仅略低于棉纺织品（2.34 mg cm^-1 h^-1），而远高于商用 Mylar 毯几乎无透气性（0.27 mg cm^–1 h^–1）；在防风性能的情况下，MXene/nanoPE 纺织品的透气性与 Mylar 毯式薄膜相当（图 5b），可以防止风进来带走热量；在机械强度方面，MXene/nanoPE 纺织品可以承受 54 N 的拉力（图 5c），可以满足实际使用。

同时， MXene/nanoPE 纺织品具有快干特性：在自然风的条件下，从水中取出的MXene/nanoPE纺织品可以在6分钟内完全干燥，比棉纺织品快得多（图5e）。此外，MXene/nanoPE 纺织品的高导电性使其具有出色的电磁干扰 (EMI) 屏蔽性能（图5f），可以使人类在日常生活中免受电磁辐射的风险。另外，MXene/ nanoPE 纺织品还表现出优异的阻燃性（图5e）和抗菌性（图 5h）。

图5. MXene/nanPE纺织品的可穿戴性能，包括机械强度、透气性、防风性、阻燃性、电磁干扰屏蔽、抗菌性能等。

总而言之，简简单单地Mxene涂层，便赋予了MXene/nanPE纺织品三种加热模式集成和优异的可穿戴性能，包括机械强度、透气性、防风性、阻燃性、电磁干扰屏蔽、抗菌性能、快速干燥等，使其成为未来个人精密热管理的理想候选材料。

参考文献：

Mengke Shi, et al, Ti3C2Tx MXene-Decorated Nanoporous Polyethylene Textile for Passive and Active Personal Precision Heating, ACS Nano, 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c00903. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00903

来源：高分子科学前沿

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