光驱动透明MXene/W18O49/聚氨酯复合薄膜的超快速自修复与热管理性能研究

这篇研究创新性地将MXene@W18O49杂化材料与聚氨酯（PU）结合，开发出兼具高透明度（>79%）、超快光热自修复（2分钟修复划痕）和优异力学性能（韧性达116.5 MJ m-3）的复合薄膜（PUMW）。该材料在0.45 W cm-2光照下5分钟内升温至102°C，应用于建筑模型可实现10°C的降温效果，为智能窗户和节能建筑提供了突破性解决方案。

　　

引言

全球约15%的能源消耗用于空调系统维持室内舒适温度，而窗户作为建筑围护结构的薄弱环节，传统中空玻璃单元（IGU）因气体对流和结构限制难以兼顾高透明与隔热性能。低辐射银涂层虽能减少能量损失，但会牺牲可见光透过率。针对这一矛盾，光响应自修复材料因其在可穿戴电子和智能窗户等领域的应用潜力备受关注，但现有材料普遍存在不透明、易损伤和加工困难等问题。

MXene@W₁₈O₄₉杂化材料的制备与表征

通过盐酸刻蚀Ti₃AlC₂ MAX相获得单层Ti₃C₂T_x MXene纳米片（厚度≈3.05 nm），与溶胶-水热法合成的W₁₈O₄₉纳米线（直径<10 nm）复合构建杂化材料。透射电镜显示W₁₈O₄₉以0.378 nm晶格间距均匀锚定在MXene表面，EDS图谱证实钛、钨元素的均匀分布。X射线衍射（XRD）表明杂化后MXene的（002）晶面峰位移至6.6°，证明W₁₈O₄₉插入抑制了纳米片堆叠。紫外-可见光谱显示W₁₈O₄₉在470-1400 nm的宽谱吸收源于氧空位诱导的局域表面等离子体共振（LSPR），而MXene在760 nm的特征吸收峰进一步增强了杂化材料的光热转换效率。X射线光电子能谱（XPS）证实W₁₈O₄₉中存在W⁴⁺/W⁵⁺价态，为LSPR效应提供了电子传输通道。

PUMW薄膜的性能优化

以聚四氢呋喃（PTMEG）为软段、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）为硬段，通过2-羟乙基二硫化物（HEDS）扩链合成含二硫键的聚氨酯基质。仅添加0.06 wt.% MXene@W₁₈O₄₉（质量比1:3）的PUMW4薄膜展现最佳综合性能：可见光透过率79%（厚度0.2 mm），拉伸强度从纯PU的22.7 MPa提升至30.7 MPa，韧性高达101.6 MJ m^-3。原子力显微镜（AFM）显示纳米级硬域结构，动态机械分析（DMA）表明其玻璃化转变温度（T_g）为15°C。二维相关光谱（2D-COS）解析出弱氢键（3643 cm^-1）比强氢键（3471 cm^-1）更易响应温度变化，协同二硫键复分解反应实现了高效自修复。

光热自修复机制

在808 nm激光照射（0.9 W cm^-2）下，PUMW4表面划痕2分钟内完全消失，归因于MXene的宽谱光吸收（效率26.4%）与W₁₈O₄₉等离子体效应的协同作用。力学测试显示经5分钟光照后，薄膜的拉伸强度恢复率达96%，韧性恢复95%。对比研究证实，当W₁₈O₄₉占比超过50%时，过量的MXene会因分散不均导致性能下降。

热管理应用验证

户外实验表明，覆盖PUMW4薄膜的有机玻璃模型内部温度较空白组降低10°C。模拟太阳辐照（1 sun）下，薄膜表面温度5分钟升至36.6°C，30分钟稳定于52.3°C，而贴附该薄膜的志愿者手部皮肤温度1分钟内上升7.2°C。这种透明、可穿戴的特性使其在建筑节能和个性化热疗领域展现出独特优势。

结论

该研究通过MXene与W₁₈O₄₉的等离子体协同效应，创造了兼具快速光热响应、高透明度和机械韧性的智能薄膜。其突破性的自修复效率（95%）和10°C的降温能力，为发展下一代节能建筑涂层和柔性电子器件提供了新材料范式。