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  通過加熱供暖使人體溫度保持相對恒定對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)零能耗的人體被動輻射加熱。近年來，被動輻射加熱受到越來越多的關(guān)注。但除了室內(nèi)供暖，在戶外保持人體熱舒適同樣重要。然而，由于戶外環(huán)境和氣溫等影響因素的不可控，單一的被動輻射加熱模式無法滿足人體在復(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杰教授團(tuán)隊通過將零能耗的被動輻射加熱模式、節(jié)能的太陽能加熱模式和補(bǔ)償型焦耳加熱模式集成到一個可穿戴加熱系統(tǒng)中，展示了一種高效節(jié)能的全天候個人精準(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，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)被動輻射加熱性能。

  作者對比了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)被動輻射加熱測試中，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測試表明，MXene/nanoPE織物在太陽光波段有很高的吸收率，在可見光波段（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，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，最高溫度超過了90℃。在長時間測試中，調(diào)節(jié)電壓可以有效的對加熱能力進(jìn)行補(bǔ)償以滿足不同場景加熱需求（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級碩士生石夢科，通訊作者為鄭州大學(xué)材料學(xué)院王建峰副教授和王萬杰教授。研究得到國家自然科學(xué)基金、中國博士后特別資助/面上基金、河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項、高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等項目支持。

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