山东大学AFM：可持续超宽光谱选择性纸基加热窗户问世，实现高效热管理与微波防护

随着全球能源短缺和电磁微波污染问题日益严峻，建筑能耗中占比较高的窗户成为节能改造的关键。传统窗户在热管理方面表现不佳，导致大量能量损失，而现有智能窗户材料虽能调控可见光与红外线，却难以同时实现高透光、近红外光热转换、中红外低辐射散热以及高效的电磁屏蔽功能。此外，透明导电薄膜如氧化铟锡存在脆性大、屏蔽性能不足等问题，亟需开发新型多功能窗口材料。

近日，山东大学曾志辉教授、刘久荣教授和吴娜研究员合作提出了一种可持续的超宽光谱选择性纸基加热窗户薄膜。该薄膜以纤维素和纤维素纳米纤维为载体，整合银纳米线与过渡金属碳化物，制备出大面积、超薄、高强度、超柔性且耐久的复合薄膜（简称CAMC）。该材料具备高可见光透射率、近红外光热转换、中红外低发射率被动辐射加热以及高效的电磁波衰减能力。在模拟太阳光照射下，使用该薄膜的室内温度可提升9.4°C，同时其电磁屏蔽效能可在937至2562 dB mm⁻¹之间调节，透光率介于55.1%至80.3%之间，性能优于多数已报道材料。相关论文以“A Sustainable Ultrawide-Spectrum-Selective Paper-Based Heating Window Against Microwave Radiation”为题，发表在

Advanced Functional Materials

研究团队通过化学溶剂法制备出大面积透明纤维素纸作为基底，随后在其表面涂覆银纳米线与MXene复合层，并覆盖一层超薄纤维素纳米纤维。图1展示了CAMC薄膜的制备流程及其多功能集成特性：可见光透射、近红外光热转换、中红外低发射率被动加热以及微波屏蔽。原子结构示意图揭示了各组分之间的氢键作用与协同效应，实物图像显示该薄膜面积可超过1平方米，具备良好的可扩展性。

图1：具备热与电磁波管理能力的智能纸基CAMC窗户示意图 a) CAMC薄膜的制备过程及其集成功能：可见光透射、近红外光热转换、低中红外发射率诱导的被动辐射加热性能与微波屏蔽。 b) CAMC薄膜的原子结构示意图。 c) 大面积CAMC薄膜（超过1平方米）的光学图像。

图2进一步揭示了CAMC的微观结构与力学性能。扫描电镜图像显示，MXene的引入在银纳米线之间形成纳米级“焊接”，显著提升了导电网络的紧密性与稳定性。原子力显微镜图像表明，加入MXene后表面粗糙度降低，连接高度从81纳米降至57.6纳米。这种结构优化使得材料在保持高透光的同时，具备优异的导电性与机械性能。该薄膜可弯曲、扭转甚至折叠成纸鹤形状，其拉伸强度高达134 MPa，韧性达7.63 MJ m⁻³，远超多数纤维素基材料。一张仅重10毫克的CAMC薄膜可承受100克重物，展现出轻质高强的特性。

图2：CAMC的结构与性能 a) CA薄膜的SEM图像，显示银纳米线之间的松散重叠。 b) CAM薄膜的SEM图像，显示银纳米线与MXene之间的紧密重叠与纳米级焊接。 c) CA薄膜的AFM图像。 d) CAM薄膜的AFM图像。 e) 仅含银纳米线的CA薄膜与含银纳米线@MXene的CAMC薄膜的FOM值比较。 f) CAMC薄膜的超柔性光学图像，包括弯曲、扭转和折叠成纸鹤。 g) 纤维素、CA、CAM和CAMC薄膜的应力-应变曲线。 h) 纤维素、CA、CAM和CAMC薄膜的拉伸强度与韧性。 i) CAMC薄膜与已报道典型纤维素基薄膜的拉伸强度比较。 j) 轻质透明CAMC薄膜承载100克重物的光学图像。

在热管理性能方面，图3显示了CAMC在近红外光照射下的快速升温能力。在50 mW cm⁻²的光强下，其表面温度可达75.5°C，远高于仅使用银纳米线的对照组。MXene在808纳米波长处的特征吸收峰及其局部表面等离子共振效应是高效光热转换的关键。同时，CAMC在中红外波段发射率仅为0.2，有效减少了辐射热损失。在模拟房间测试中，使用CAMC薄膜的室内温度在500秒内从0°C升至30.2°C，较普通窗户提升9.4°C。户外实验也验证了其在真实环境下的优异加热效果。

图3：智能纸基CAMC窗户的超宽光谱加热性能 a) CAMC薄膜在不同功率密度的近红外光与可见光下的温度。 b) 近红外光功率密度逐渐增加时的温度曲线。 c) 在相同近红外光功率密度（50 mW cm⁻²）下，纤维素、CA和CAMC薄膜的温度对比。 d) CA与CAMC在580–1200 nm波长范围内的吸收谱，显示MXene在808 nm处的特征吸收峰。 e) 纤维素、CA、CAM和CAMC薄膜在3–15 μm中红外波长范围内的发射率。 f) 使用与未使用CAMC薄膜的丙烯酸玻璃窗模拟房间内部温度变化（房间尺寸为30 × 20 × 18 cm³）。 g) 户外测试示意图。 h) 2025年3月1日，使用与未使用CAMC薄膜的模拟房间在户外测试中的温度曲线。

图4聚焦于CAMC在电磁干扰屏蔽方面的表现。随着银纳米线与MXene密度的增加，薄膜的屏蔽效能逐步提升，最高可达41.1 dB，而透光率仍保持在55.1%以上。屏蔽机制分析表明，其高屏蔽效能主要来源于吸收与反射的协同作用，以及界面极化、多次反射和偶极极化等多种损耗机制。更值得注意的是，CAMC在8.2至40 GHz的超宽频范围内均能保持30 dB以上的屏蔽效能，覆盖X、Ku、K和Ka波段。在经过千次弯曲或长达35天的空气中暴露后，其屏蔽性能仍保持稳定，这归功于CNF层的氧阻隔作用与整体结构的耐久性。

图4：抗微波的耐久纸基CAMC窗户性能 a) CAMC薄膜的方块电阻与在550 nm处的透光率。 b) CAMC薄膜在弯曲测试中的电阻变化。 c) CA与CAMC薄膜在X波段的电磁干扰屏蔽效能与光学透光率。 d) 薄膜的电磁屏蔽性能（吸收屏蔽SEA、反射屏蔽SER、总屏蔽SET）与厚度归一化屏蔽效能SE/d。 e) 透明CAMC薄膜的电磁波屏蔽机制示意图。 f) 与已报道典型透明屏蔽薄膜在SE/d与透光率方面的比较。 g) CAMC在超宽带频率范围内的电磁干扰屏蔽效能。 h) CA、CAM与CAMC薄膜在1000次弯曲循环前后在X波段的电磁干扰屏蔽效能。 i) 在空气环境中存储期间，CA、CAM与CAMC薄膜的电磁干扰屏蔽效能与电阻随时间的变化。 j) 薄膜性能比较的雷达图。

综上所述，本研究成功开发出一种具备可调透光率、高效光热转换、低中红外发射率与优异电磁屏蔽性能的纸基窗户薄膜。其大面积、高强度、柔性与环境友好的特性，为建筑节能与电磁防护提供了一种创新解决方案。未来，该材料有望应用于极地科考站、电子设备屏蔽窗、智能建筑等领域，推动可持续窗口技术向多功能、高性能方向发展。