Nano-Micro LettersYuhao Feng, Jindi Zhao, Keke Chen, Yang Li*, Jiao Liu, Huitao Yu, Mulin Qin, Kaihang Jia, Haiwei Han, Zhenghui Shen, Mingliang Ma*, Xiao Chen*
Nano-Micro Letters (2026)18: 428
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02277-7
1. 采用界面桥联策略构筑三维互穿网络，加速声子/电子传输。
2. 局域表面等离子体共振效应与相变热缓冲的协同作用，实现了高效太阳能捕获和稳定热电联供。
高功率电子器件的快速发展以及对可持续能源日益增长的需求，使兼具能量收集与电磁防护能力的多功能系统成为一项战略性需求。传统材料主要孤立地解决储能或微波吸收问题，难以满足面向航空航天飞行器和5G/6G通信基础设施的下一代智能防护蒙皮所提出的复杂要求。在这些应用场景中，可靠的“能源—防护”协同至关重要：系统既应作为光热转换器捕获太阳能，以相变材料(PCMs)储存潜热，并利用热电发电机为局部传感器供电，又要维持高效微波吸收，以保障信号完整性和雷达隐身性能。因此，将高效热管理与可靠电磁衰减相结合，是先进装备在极端环境下保持运行稳定性与自主性的必要条件。
设计兼具高效光响应热电联供与微波吸收功能的多功能材料，对于清洁太阳能利用和电磁干扰抑制仍是一项挑战。北京师范大学物理与天文学院陈晓副研究员、青岛理工大学土木工程学院马明亮副教授等人提出一种结合界面桥联工程与物理封装的创新设计策略，用于构筑先进多功能复合相变材料(PCMs)。通过在层状MXene上原位生长CuS纳米颗粒，研究人员构建出由纳米颗粒桥联的三维互穿声子网络，既形成大量可吸附聚乙二醇(PEG)的界面位点，也提供了用于电磁损耗的高效电子传输通道。所得PEG-MXene@CuS复合相变材料依托MXene纳米片的宽带吸收和CuS纳米颗粒的等离子体效应，在100 mW cm⁻²下实现94.5%的光热转换效率。在光响应热电联供系统中，PEG-MXene@CuS作为热源，通过Seebeck效应驱动热电模块，在100 mW cm⁻²下获得21.7 W m⁻²的稳定功率输出，同时PEG可有效缓冲热波动。此外，MXene@CuS异质界面和三维导电网络赋予复合材料优异的微波吸收性能，其最小反射损耗达到−55.5 dB，有效吸收带宽为5.27 GHz。该设计理念为开发下一代多功能相变材料提供了重要启示，显示出在智能热管理、热电联供和电磁防护领域的应用前景。
这一桥联界面在更高分辨率下得到进一步确认：图1d给出MXene与CuS接触区域的TEM图像，图1e、f显示界面结合紧密，并观察到约0.32 nm的CuS(101)晶面间距；图1g的EDS元素映射表明Ti、C、Cu和S均匀分布。结构与化学分析也相互印证，图1h的XRD同时出现MXene和CuS特征峰，图1i的FT-IR、图1j的拉曼光谱揭示表面官能团及部分氧化形成的TiO₂振动，图1k的Ti 2p、Cu 2p和S 2p XPS谱则确认了异质结构中的化学态。由图1a到k可见，适量CuS既避免低负载下桥联不足，也避免过量负载引起的颗粒团聚，为跨界面的声子、光子和电子传输奠定结构基础。
图1. PEG-MXene@CuS复合相变材料的构筑与结构表征。(a)合成示意；(b、c)SEM图像；(d–f)TEM和HRTEM图像；(g)EDS元素映射；(h)XRD；(i)FT-IR；(j)拉曼光谱；(k)XPS谱。
热物性结果与上述机制一致。图2c的DSC曲线显示各复合材料仍保有清晰的熔融/结晶峰，图2d给出的相变焓约为98–100 J g⁻¹，封装率保持在较高水平；图2e表明CuS含量变化对相变温度影响较小，图2f的TGA则验证材料在300 ℃以下具有良好热稳定性。经过100次循环后，图2g的XRD峰基本不变，图2h的循环DSC及焓保持率仍超过95%，说明结构与储热能力稳定。与此同时，图2i显示PEG-MXene@CuS-2的热导率由纯PEG的0.25 W m⁻¹ K⁻¹提高至0.68 W m⁻¹ K⁻¹；图2j所示CuS桥梁缩短了片层间热流路径，图2k的温度场模拟也呈现更快、更均匀的热扩散。
图2. PEG-MXene@CuS的相变封装与热物性。(a)SEM；(b)相变及封装机制；(c)DSC；(d)相变焓与封装率；(e)相变温度；(f)TGA；(g)循环XRD；(h)循环DSC及焓保持率；(i)热导率；(j)传热机制；(k)稳态温度场模拟。
机制证据集中在图3d–g。图3d表明纯PEG在400–2000 nm范围内几乎不吸光，而复合材料具有显著宽谱吸收；图3e的优化MXene@CuS异质结结构揭示紧密界面耦合，图3f的投影态密度显示费米能级附近电子态被重新调节，有利于低能光子激发。图3g据此概括了非辐射弛豫、宽谱吸收、CuS局域表面等离子体共振、片层内多重反射和快速声子传输的协同作用。最终，图3h的红外热像以“B、N、U”图案随时间均匀升温，直观验证了快速且均匀的光热转换。
图3. 光热转换性能与机制。(a)光热转换曲线；(b)转换效率；(c)不同辐照强度下的响应；(d)UV–Vis–NIR吸收光谱；(e)异质结优化结构；(f)投影态密度；(g)光热转换机制；(h)红外热像。
图4d、e将辐照强度扩展至50–300 mW cm⁻²，稳态电压由254.6 mV增至438.5 mV，电流由57.9 mA增至99.0 mA；图4f汇总的电压/电流随光强变化呈稳定递增关系。进一步地，图4g显示复合材料在100 mW cm⁻²下实现21.7 W m⁻²功率密度，在300 mW cm⁻²下可达48.2 W m⁻²；图4h的文献对比表明该体系兼具较高光热效率与输出电压。图4i中热电模块成功点亮LED并驱动小型风扇，使材料从性能曲线走向可视化供能演示。
图4. 光响应热电联供性能。(a)转换机制；(b、c)五次循环中的输出电压和电流；(d、e)不同光强下的输出曲线；(f)稳态电压/电流；(g)功率密度；(h)与已报道复合相变材料对比；(i)驱动LED和电风扇的应用演示。
能量耗散过程由图5e–g逐层展开。图5e的Cole–Cole曲线包含多个半圆弧和线性尾部，表明多重极化弛豫与导电损耗并存；图5f的差分电荷密度显示电子由MXene向CuS转移，在异质界面建立内建电场并促进电荷积累和界面极化。图5g将阻抗匹配、三维网络导电损耗、多重反射、界面极化和偶极极化整合为完整吸收机制。应用层面，图5h、i的雷达散射截面模拟表明涂层在法向入射下可使RCS相对理想导体基底降低34.3 dB m²；图5j的Tesla线圈—LED实验中，覆盖复合材料后LED迅速变暗，进一步直观验证了微波衰减能力。
图5. 微波吸收性能与机制。(a、b)反射损耗三维图和二维投影；(c)不同厚度下的RLmin与有效吸收带宽；(d)反射损耗与阻抗匹配关系；(e)Cole–Cole图；(f)差分电荷密度；(g)微波吸收机制；(h、i)RCS模拟；(j)Tesla线圈—LED吸收演示。
马明亮
本文通讯作者
青岛理工大学 副教授
吸波、阻燃、抗爆及高性能防护材料等新型功能材料的结构设计、制备与应用。
▍主要研究成果
西北工业大学材料学博士，2014年进入青岛理工大学土木工程学院工作，2020年起任副教授。现为军用海工防护材料创新团队负责人，主持或参与国防科技创新、国家自然科学基金及产业合作项目，长期开展吸波、阻燃和高性能防护材料研究。
▍Email：mamingliang@qut.edu.cn
陈晓
本文通讯作者
北京师范大学 副研究员
新型相变储热材料、智能热管理材料、电磁屏蔽/吸收材料及人体可穿戴健康监测。
▍主要研究成果
2019年获北京科技大学材料科学与工程学院工学博士学位，随后在北京师范大学新材料研究院从事师资博士后研究，现任北京师范大学物理与天文学院副研究员。长期围绕多功能复合材料开展热能转换与储存、热管理和电磁防护研究，并关注多物理功能的协同集成。
▍Email：xiaochen@bnu.edu.cn
撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部
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