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  通過(guò)加熱供暖使人體溫度保持相對(duì)恒定對(duì)于人體熱舒適以及各種人體功能的正常運(yùn)行至關(guān)重要。目前，室內(nèi)供暖耗能約占全球能源消耗的47%。但傳統(tǒng)的加熱供暖形式（空調(diào)、集中供暖、燃煤取暖）能耗高且能源利用率低，大量能源浪費(fèi)在加熱無(wú)生命特征的空間和物體上，加劇了全球能源危機(jī)和氣候變暖。開(kāi)發(fā)高效節(jié)能并能精準(zhǔn)加熱人體的供暖系統(tǒng)和材料對(duì)于緩解能源危機(jī)和氣候變暖具有重要意義。

  人體發(fā)射的中紅外熱輻射（波長(zhǎng)7-14 μm）約占人體熱量損失的50%。傳統(tǒng)紡織品的紅外發(fā)射率較高，人體產(chǎn)生的大部分熱輻射可以輕松地發(fā)射到外界。通過(guò)控制可穿戴織物的紅外發(fā)射率可以減少紅外熱輻射損失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零能耗的人體被動(dòng)輻射加熱。近年來(lái)，被動(dòng)輻射加熱受到越來(lái)越多的關(guān)注。但除了室內(nèi)供暖，在戶(hù)外保持人體熱舒適同樣重要。然而，由于戶(hù)外環(huán)境和氣溫等影響因素的不可控，單一的被動(dòng)輻射加熱模式無(wú)法滿足人體在復(fù)雜環(huán)境下的加熱需求。

  近日，鄭州大學(xué)材料學(xué)院王建峰副教授和王萬(wàn)杰教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)將零能耗的被動(dòng)輻射加熱模式、節(jié)能的太陽(yáng)能加熱模式和補(bǔ)償型焦耳加熱模式集成到一個(gè)可穿戴加熱系統(tǒng)中，展示了一種高效節(jié)能的全天候個(gè)人精準(zhǔn)加熱策略。本文將具有紅外低發(fā)射率特性的Ti₃C₂T_x MXene修飾在納米多孔聚乙烯（nanoPE）織物表面，厚度為12 μm的MXene/nanoPE復(fù)合織物在7-14 μm的紅外發(fā)射率僅為0.176，賦予其優(yōu)異的室內(nèi)被動(dòng)輻射加熱性能，與厚度為576 μm的傳統(tǒng)棉織物相比加熱溫度提高了4.9 ℃。同時(shí)，由于MXene具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率和電導(dǎo)率， MXene/nanoPE復(fù)合織物的室外光加熱溫度和電加熱溫度分別達(dá)到73.5 ℃和55 ℃（5V），且這三種加熱模式可以輕松切換或任意組合，使得MXene/nanoPE織物能夠在室內(nèi)/室外、白天/夜晚、晴天/陰天等多種場(chǎng)景下精準(zhǔn)加熱人體。此外，MXene/nanoPE織物還表現(xiàn)出優(yōu)異的可穿戴性能，包括機(jī)械強(qiáng)度、透氣性、防風(fēng)能力、阻燃性、電磁干擾屏蔽、抗菌、速干等，展示了其在個(gè)人精準(zhǔn)熱管理領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。該研究以“Ti₃C₂T_x MXene-Decorated Nanoporous Polyethylene Textile for Passive and Active Personal Precision Heating” 為題發(fā)表在最新一期的《ACS Nano》上（DOI:10.1021/acsnano.1c00903）。

圖1. 圖文摘要

圖2. （a）傳統(tǒng)織物和（b）MXene/nanoPE織物覆蓋的人體皮膚上的傳熱示意圖；（c） MXene/ nanoPE織物的制備流程圖；（d）NanoPE和MXene/nanoPE織物的電子圖片。（e）大尺寸MXene/nanoPE織物的電子圖片；（f）NanoPE和（g）MXene/nanoPE織物的SEM圖和水接觸角。

圖3. MXene/nanoPE織物的室內(nèi)被動(dòng)輻射加熱性能。

  作者對(duì)比了MXene/nanoPE織物與其他織物和薄膜的紅外發(fā)射率和室內(nèi)被動(dòng)輻射加熱性能。MXene/nanoPE織物在7-14 μm范圍內(nèi)的發(fā)射率僅為0.176，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)棉織物（0.931）。此外，在室內(nèi)被動(dòng)輻射加熱測(cè)試中，厚度僅為12 μm的MXene/nanoPE織物覆蓋的人造皮膚溫度達(dá)到了42.1 ℃，高于棉織物的37.2 ℃，實(shí)際人體皮膚溫度測(cè)試中，MXene/nanoPE織物的輻射加熱性能仍比棉織物高1.6 ℃。將MXene/nanoPE織物放置在人體上，在紅外熱成像中呈現(xiàn)出顏色較暗的現(xiàn)象，進(jìn)一步說(shuō)明了其紅外低發(fā)射特性和輻射加熱特性。

圖4. MXene/nanoPE織物的室外光加熱性能

  UV-vis-NIR測(cè)試表明，MXene/nanoPE織物在太陽(yáng)光波段有很高的吸收率，在可見(jiàn)光波段（400-780 nm）的吸收率高達(dá)0.913。作者分別在晴天和陰天進(jìn)行了室外光熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，MXene/nanoPE織物的光加熱最高溫度可達(dá)73.5℃，明顯高于其他織物，證明了MXene/nanoPE織物優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力。

圖5. MXene/nanoPE織物的電熱性能和多種模式結(jié)合加熱性能。

  同時(shí)，MXene/nanoPE織物因其較高的電導(dǎo)率而展現(xiàn)出優(yōu)異的電加熱性能。對(duì)MXene/nanoPE織物施加直流電壓，MXene/nanoPE織物表面溫度迅速增加，在5V時(shí)達(dá)到了55℃，并在梯度升降電壓實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)了優(yōu)異的電熱響應(yīng)性和可調(diào)節(jié)性。室內(nèi)外進(jìn)行的多種模式結(jié)合的加熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種加熱模式可進(jìn)行自由切換，在室內(nèi)輻射加熱和電熱模式結(jié)合的加熱實(shí)驗(yàn)中，最高溫度達(dá)到了74.4℃，在室外三種模式結(jié)合加熱實(shí)驗(yàn)中，最高溫度超過(guò)了90℃。在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中，調(diào)節(jié)電壓可以有效的對(duì)加熱能力進(jìn)行補(bǔ)償以滿足不同場(chǎng)景加熱需求（如光照減弱等）。一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型分析結(jié)果表明，MXene/nanoPE織物的輻射加熱能力與織物內(nèi)、外表面的紅外發(fā)射率有關(guān)，其中外表面發(fā)射率的影響更大。在引入光熱和焦耳熱后，凈輻射熱流值有明顯提升，加熱能力明顯提高，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖6. MXene/nanoPE織物的可穿戴性能。

  水汽透過(guò)率、防風(fēng)、拉伸、水洗浸泡、速干、電磁干擾屏蔽、阻燃和抗菌等測(cè)試結(jié)果表明， MXene/nanoPE復(fù)合織物具有優(yōu)異的可穿戴性。

  該論文第一作者為鄭州大學(xué)材料學(xué)院2019級(jí)碩士生石夢(mèng)科，通訊作者為鄭州大學(xué)材料學(xué)院王建峰副教授和王萬(wàn)杰教授。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后特別資助/面上基金、河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專(zhuān)項(xiàng)、高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題等項(xiàng)目支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00903