热能储存是支持可再生能源大规模发展的关键技术之一，关乎提高可再生能源的重复利用。相变材料(Phase Change Materials, PCMs)可以通过相变过程储存和释放大量潜热，被认为是最有前途的储热材料之一。然而，单一相变材料往往面临易泄露、低导热、功能单一等问题，限制了其在能量储存领域的应用。

利用封装材料阻止相变材料的泄露，引入功能填料提高导热性甚至实现多功能性，是复合相变材料领域的研究热点。另一方面，聚集诱导发光(Aggregation-induced emission, AIE)现象的发现打破了传统荧光材料因聚集导致荧光淬灭效应，具有越聚集越发光的特点，将AIE荧光材料与复合相变材料结合，赋予材料新颖的光物理功能与热存储应用潜力，但这方面的研究仍有所欠缺，亟需更多探索性的研究来填补。

近日，广东工业大学闵永刚/黄锦涛团队与冯星课题组在期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》上发表了最新研究成果“Novel pyrene‑based aggregation‑induced emission luminogen (AIEgen) composite phase change fibers with satisfactory fluorescence anti‑counterfeiting, temperature sensing, and high‑temperature warning functions for solar‑thermal energy storage”。研究者以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为封装材料，聚乙二醇(PEG)为相变材料，芘基AIE分子Py‑CH为荧光功能填料，六方氮化硼(BN)为导热填料，使用静电纺丝技术制备了具有高效荧光性质的复合相变纤维材料（图1）。利用静电纺丝技术制备的纤维，一方面，PVP和PEG之间大分子链的缠结以及独特的多孔结构所产生的约束力解决了PEG的泄漏问题，复合相变纤维在80 ℃下保温1 h，泄漏率低至2~3%。另一方面，这类纤维展示出优异的热诱导荧光变色现象。

图1：复合相变纤维的静电纺丝制备流程图。

首先，以2-羟基芘为原料，利用路易斯酸催化的多米诺一锅煮反应制备了一种新颖的芘基AIE分子。一方面这类反应利用便宜的催化剂活化C-H键，在芘环上一步反应实现了C-C键的偶联，简化合成步骤；出乎意外的是，这类分子展示出良好的AIE性质和明显的电荷转移性质，在不同极型的溶剂中展示出高达152 nm的荧光红移现象（图2）。进一步，利用静电纺丝技术，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为封装材料，聚乙二醇(PEG)为相变材料，芘基AIE分子Py‑CH为荧光功能填料，六方氮化硼(BN)为导热填料，制备了具有高效固体发光性质的复合相变纤维材料。

图2：(a)一步法合成芘基AIE荧光分子的合成路线；(b)芘基AIE分子的随溶剂极型变化的荧光光谱图。

一方面，复合相变纤维具有优异的热性能。PEG固含量为60%的复合相变纤维膜的潜热为79~89 J/g，并且在100次加热冷却循环中保持稳定，具有较好的热稳定性（图3a, b）。此外，该复合相变纤维的光热转换和存储效率为33.17%（图3c），可以用于太阳能储能。另一方面，Py-CH分子的聚集诱导发光(AIE)性能和扭转分子间电荷转移(TICT)特性与PVP的吸水性能的结合，赋予了复合相变纤维神奇的变温荧光性能，即荧光颜色随温度升高而蓝移（经历黄绿色—青色—蓝色—紫色的颜色变化），图3d展示的荧光颜色随温度变化的CIE图精准显示了这一现象；同时，该纤维膜具备优异的荧光可循环性（图3e），即在80 ℃的温度下荧光颜色发生变化，在室温下冷却后又变回原来的颜色，具有温度敏感性和可循环使用性。

 图3：(a)PEG和不同Py-CH含量的复合相变纤维的DSC测试曲线；(b)复合相变纤维在第1个循环和第102个循环时的DSC曲线；(c)不同光照功率下复合相变纤维的时间-温度曲线；(d)复合相变纤维膜在不同温度下的CIE色谱图；(e)复合相变纤维薄膜的荧光可循环实验图。

基于复合相变纤维优异的储热性能和荧光性能，其可以应用于光热转换与储存、温度传感、高温预警、防伪等多个领域（图4）。由于复合相变纤维的相变储热特性，其在模拟太阳光的照射下出现一个平缓的蓄热平台，在撤去模拟太阳光照条件之后，其会与周围环境发生热交换，也出现一个平坦的放热平台，从而实现太阳光的热转化和储能功能。

基于柔性复合相变纤维神奇的变温荧光特性，其可以用于高温警示，预防高温对人体造成伤害，甚至可以与图像识别算法设计的远程监控报警系统结合使用，实现远程机器温度状态监控和消防监控。复合相变纤维膜还拥有荧光刻写能力，在防伪领域也发挥重要作用。这是关于AIE材料与PCM材料结合的创新性探索，为先进多功能复合PCM材料的研究开辟了新的途径。

图4：复合相变纤维在光热转换与储存、高温预警、荧光防伪中的应用展示。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-023-00706-4

人物简介：

黄锦涛，广东工业大学副教授。在Chemical Engineering Journal、Energy、Composites Part A、Composites Part B等期刊发表SCI论文40余篇，其中第一/通讯作者论文20余篇，论文被引用1500余次，H因子24；在Wiley等出版社以第一/通讯作者合著书籍章节3部，专利10余件。自2013年以来参与项目10余项，其中主持6项。

冯星，广东工业大学教授/博导，院长助理。日本国立佐贺大学博士；随后进入北京印刷学院工作，2016年在香港科技大学唐本忠院士课题组开展聚集诱导发光的博士后研究工作，主要从事化工中间体及其新型有机发光材料的设计、合成及基础应用研究；2017年起就职广东工业大学。近年，主持了国家自然科学基金、教育部等国家级、省部级项目等多项项目；以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials, Small, Advanced Optical Materials, Chemical Science, Ecomat, Organic. Letters, Journal Organic Chemistry等期刊发表50多篇论文；论文被引用1800余次，H因子27。撰写英文专著1部；授权专利10篇。

闵永刚，广东工业大学教授，美国宾夕法尼亚大学博士，“国家杰出青年科学基金”获得者。师从于2000年诺贝尔化学奖获得者Alan G. MacDiarmid教授。拥有二十多年国际工作经历，先后在多家世界500强企业和美国著名学府担任过多种技术职位，如：美国杜邦、IBM、英国帝国化学公司（威克斯）、法国圣戈班、美国宾西法尼亚大学、和俄亥俄州立大学等。致力于研究有机光电功能材料与器件（功能高分子材料、有机发光二极管、钙钛矿型太阳能电池），多维功能化石墨烯复合材料与应用，高性能聚合物材料的合成与加工，节能环保和PM 2.5等。主持过多项美国国家标准局项目、美国国防部项目、美国国家科学基金项目、及中国国家基金项目，总项目经费达数十亿元。多次获得美国国防部和美国制造协会科技成果奖、美国公司突出贡献奖等。申报了一百余项中国和国际专利（其中四十多项已获授权），科技文章一百余篇（总引用指数：>2000，H-index为 22）。