来源：Energy Conversion and Management ( IF:10.9 )
链接：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120821
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背景介绍
建筑能耗与热舒适需求矛盾突出，HVAC系统能耗高。传统纸膜通风系统传热节能能力不足。相变材料（PCMs）可储热调温，但现有复合材料面临储热密度低、脆性大、传热与储热难以兼顾等瓶颈。气凝胶潜力显著，但规模化制备与应用未充分探索。通风膜需协同透湿与传热，现有材料难以同时满足高效储热与调湿需求。因此，开发兼具高传热效率、高储热密度、优异调湿性且可规模化的纳米工程膜，是实现建筑零碳排放与智能热管理的核心。 2 研究成果 近日，延世大学 Sumin Kim 教授团队在储能与调湿多功能膜领域取得重要突破。针对传统通风膜能量回收效率低、PCM 基材料储热 - 传热失衡、调湿性能不佳等问题，团队创新性地提出单步工程策略，设计了一种基于氮化硼 - 硅杂化与十五烷（C₁₅）复合气凝胶（BNSP）的高性能纸膜系统（BNSP-MP）。该系统通过一锅渗透组装法制备 BNSP 复合气凝胶，将氮化硼（BN）的高导热特性、微米硅（SA）的多孔支撑功能与十五烷的潜热储热性能相结合，再与商用纸膜集成，实现了储热、通风与调湿功能的协同优化。BNSP-MP 展现出卓越的综合性能：热导率较原始纸膜提升114.9%，达64.5 mW/(m·K)；相变焓为60.8 J/g，潜热保留效率达 129.0%，相变温度低于49.6℃，可有效缓冲温度波动；水蒸气阻力系数达13.33，满足 ISO 12572 与 ASTM E96 标准，且等效空气层厚度（Sd）仅 0.1999（<1），保持良好透气性；经1000次加热-冷却循环后，储热性能仅衰减 13.3%，泄漏率低于11.5%，结构稳定性优异。该研究通过纳米杂化与膜工程的协同设计，突破了传统材料 “储热 - 传热 - 调湿” 难以兼顾的瓶颈，为建筑能量回收通风（ERV）系统、室内热舒适调控提供了新方案，相关成果以 “A high-performance paper membrane based on aerogel-engineered nanohybrid phase-change for thermal storage and moisture management” 为题，发表在《Energy Conversion and Management》。 3 图文速览 图1.为纳米杂化相变复合气凝胶的制备及其与膜集成以实现多方向应用的示意图。 图2.展示了气凝胶前驱体的结构特性：a) 氮化硼（BN，左侧）的示意图、BN PT160 前驱体的数码照片（右侧），以及海藻酸钠（SA，左侧）与二氧化硅粉末的图像（右侧）；b) 体相 BN PT160 和 c) SA 的扫描电子显微镜（SEM）图像；d) BN 的 X 射线衍射（XRD）图谱；e、f) BN（蓝色）和 SA（粉色）的氮气吸附 - 脱附等温线（下方）及密度泛函理论（DFT）孔径分布（上方）；g) 基于 t - 图微孔分析方法得到的 BN 与 SA 的厚度；h) 复合体制备过程中氮化硼 - 海藻酸钠（BNSP）网络的示意图。 图3.为所制备材料的示意图及微观结构特性：a) 纳米杂化相变复合气凝胶的热相变焓存储与释放过程，以及其对湿热性能的增强作用示意图；b) Si–O–与B–N的原子构型及分子间相互作用；c) BNSP、d) BN/C15和e) SA/C15的扫描电子显微镜（SEM）图像；f) 体相材料与复合相变材料（PCMs）的红外光谱，其中f1为BNSP与原始C15在3970~1800 cm⁻¹波数范围内的吸收光谱，f2为体相C15的红外光谱。 图4.为复合气凝胶的热物理性能与储能性能：a) 差示扫描量热（DSC）曲线，b) 潜热存储能力，c) 相变温度，d) 复合材料的吸附速率，e) 储能效率，f) 相对相变焓效率，g) 纳米杂化相变复合材料与体相C15的热流随时间变化特性，h) 展示BNSP-MP弯曲性能及样品层状稳定性的宏观形貌。 图5.为复合材料及相变气凝胶复合膜的热管理性能：a) 热重分析（TGA）曲线，b) 微商热重分析（DTG）曲线，c) BNSP-MP的TGA与DTG曲线，d) BNSP-MP的热分解随时间变化情况，e) 原始膜与BNSP-MP的热导率（K）性能；f) 结合膜、气凝胶与相变材料（PCMs）协同优势的BNSP-MP热调控示意图；g) BNSP-MP热流行为的温度-时间曲线，该材料可实现高效热收集并维持稳定的充/放热过程；h) 复合气凝胶与BNSP-MP复合材料的相变潜热；i) 复合材料及膜系统的相对相变焓效率。 图6.为所制备BNSP-MP的示意图及性能对比：a) 储热、放热及热管理系统的示意图；b) 本研究与已报道文献中材料的热导率对比；c) 本研究与已报道文献中材料的热导率-潜热关系对比。 图7.为复合材料的可靠性测试及性能：a) 差示扫描量热（DSC）曲线，b) 循环前后的相变焓，c) 循环后的焓保留率，d) 复合材料在80 ℃下持续1小时的渗漏测试结果；e) 1000次热循环前、f) 1000次热循环后的BNSP扫描电子显微镜（SEM）图像。 图8.为基于复合气凝胶的膜的设计及湿热特性表征：a) 干杯法测试原理与水蒸气透过率示意图，b) 利用湿度箱开展的水蒸气扩散阻力测试，c) BNSP-MP与已报道的生物基复合保温材料的水蒸气阻力对比。1 背景介绍 建筑能耗与热舒适需求矛盾突出，HVAC系统能耗高。传统纸膜通风系统传热节能能力不足。相变材料（PCMs）可储热调温，但现有复合材料面临储热密度低、脆性大、传热与储热难以兼顾等瓶颈。气凝胶潜力显著，但规模化制备与应用未充分探索。通风膜需协同透湿与传热，现有材料难以同时满足高效储热与调湿需求。因此，开发兼具高传热效率、高储热密度、优异调湿性且可规模化的纳米工程膜，是实现建筑零碳排放与智能热管理的核心。 2 研究成果 近日，延世大学 Sumin Kim 教授团队在储能与调湿多功能膜领域取得重要突破。针对传统通风膜能量回收效率低、PCM 基材料储热 - 传热失衡、调湿性能不佳等问题，团队创新性地提出单步工程策略，设计了一种基于氮化硼 - 硅杂化与十五烷（C₁₅）复合气凝胶（BNSP）的高性能纸膜系统（BNSP-MP）。该系统通过一锅渗透组装法制备 BNSP 复合气凝胶，将氮化硼（BN）的高导热特性、微米硅（SA）的多孔支撑功能与十五烷的潜热储热性能相结合，再与商用纸膜集成，实现了储热、通风与调湿功能的协同优化。BNSP-MP 展现出卓越的综合性能：热导率较原始纸膜提升114.9%，达64.5 mW/(m·K)；相变焓为60.8 J/g，潜热保留效率达 129.0%，相变温度低于49.6℃，可有效缓冲温度波动；水蒸气阻力系数达13.33，满足 ISO 12572 与 ASTM E96 标准，且等效空气层厚度（Sd）仅 0.1999（<1），保持良好透气性；经1000次加热-冷却循环后，储热性能仅衰减 13.3%，泄漏率低于11.5%，结构稳定性优异。该研究通过纳米杂化与膜工程的协同设计，突破了传统材料 “储热 - 传热 - 调湿” 难以兼顾的瓶颈，为建筑能量回收通风（ERV）系统、室内热舒适调控提供了新方案，相关成果以 “A high-performance paper membrane based on aerogel-engineered nanohybrid phase-change for thermal storage and moisture management” 为题，发表在《Energy Conversion and Management》。 3 图文速览 图1.为纳米杂化相变复合气凝胶的制备及其与膜集成以实现多方向应用的示意图。 图2.展示了气凝胶前驱体的结构特性：a) 氮化硼（BN，左侧）的示意图、BN PT160 前驱体的数码照片（右侧），以及海藻酸钠（SA，左侧）与二氧化硅粉末的图像（右侧）；b) 体相 BN PT160 和 c) SA 的扫描电子显微镜（SEM）图像；d) BN 的 X 射线衍射（XRD）图谱；e、f) BN（蓝色）和 SA（粉色）的氮气吸附 - 脱附等温线（下方）及密度泛函理论（DFT）孔径分布（上方）；g) 基于 t - 图微孔分析方法得到的 BN 与 SA 的厚度；h) 复合体制备过程中氮化硼 - 海藻酸钠（BNSP）网络的示意图。 图3.为所制备材料的示意图及微观结构特性：a) 纳米杂化相变复合气凝胶的热相变焓存储与释放过程，以及其对湿热性能的增强作用示意图；b) Si–O–与B–N的原子构型及分子间相互作用；c) BNSP、d) BN/C15和e) SA/C15的扫描电子显微镜（SEM）图像；f) 体相材料与复合相变材料（PCMs）的红外光谱，其中f1为BNSP与原始C15在3970~1800 cm⁻¹波数范围内的吸收光谱，f2为体相C15的红外光谱。 图4.为复合气凝胶的热物理性能与储能性能：a) 差示扫描量热（DSC）曲线，b) 潜热存储能力，c) 相变温度，d) 复合材料的吸附速率，e) 储能效率，f) 相对相变焓效率，g) 纳米杂化相变复合材料与体相C15的热流随时间变化特性，h) 展示BNSP-MP弯曲性能及样品层状稳定性的宏观形貌。 图5.为复合材料及相变气凝胶复合膜的热管理性能：a) 热重分析（TGA）曲线，b) 微商热重分析（DTG）曲线，c) BNSP-MP的TGA与DTG曲线，d) BNSP-MP的热分解随时间变化情况，e) 原始膜与BNSP-MP的热导率（K）性能；f) 结合膜、气凝胶与相变材料（PCMs）协同优势的BNSP-MP热调控示意图；g) BNSP-MP热流行为的温度-时间曲线，该材料可实现高效热收集并维持稳定的充/放热过程；h) 复合气凝胶与BNSP-MP复合材料的相变潜热；i) 复合材料及膜系统的相对相变焓效率。 图6.为所制备BNSP-MP的示意图及性能对比：a) 储热、放热及热管理系统的示意图；b) 本研究与已报道文献中材料的热导率对比；c) 本研究与已报道文献中材料的热导率-潜热关系对比。 图7.为复合材料的可靠性测试及性能：a) 差示扫描量热（DSC）曲线，b) 循环前后的相变焓，c) 循环后的焓保留率，d) 复合材料在80 ℃下持续1小时的渗漏测试结果；e) 1000次热循环前、f) 1000次热循环后的BNSP扫描电子显微镜（SEM）图像。 图8.为基于复合气凝胶的膜的设计及湿热特性表征：a) 干杯法测试原理与水蒸气透过率示意图，b) 利用湿度箱开展的水蒸气扩散阻力测试，c) BNSP-MP与已报道的生物基复合保温材料的水蒸气阻力对比。
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