浙工大彭永武/北航李景JACS：新型光热纺织材料问世：仿生质子化共价有机框架实现高效个人热管理

随着全球能源消耗的持续增长，建筑供暖与制冷已占居民能耗的约51%，而个人可穿戴热管理技术为实现高效、节能的温度调控提供了新思路。光热管理纺织品能够将光能迅速转化为热能，具有可持续、低碳的显著优势，但其核心材料——共价有机框架（COFs）在实际应用中常因质子化不稳定、光热转换效率不足而受限，难以满足户外个人热管理的实际需求。

近日，浙江工业大学彭永武特聘研究员、北京航空航天大学李景教授提出了一种突破性策略：通过模拟蛋白质中二硫键的稳定机制，开发出聚酸质子化共价有机框架（PaCOFs），实现了高达77.8%的光热转换效率，并成功将其集成于双模式热管理纺织品中，在阳光下可实现辐射降温约7.2°C与太阳加热约10.1°C的显著效果。相关论文以“Polyacid-Protonated Covalent Organic Frameworks Enable Stable and Efficient Photothermal Textiles”为题，发表在

JACS

研究团队从自然界中极端微生物利用二硫键维持高温稳定性的机制中获得灵感（图1a），设计了一种仿生质子化策略：将二巯基丁二酸（DMSA）在COF孔道中原位聚合，形成动态二硫键交织的聚酸网络，从而牢固稳定质子化状态（图1b）。这种聚酸质子化COFs（PaCOFs）在多种有机环境和高温下均表现出优异的质子化稳定性，同时保持了材料的结构完整性与结晶度。

图1. 共价二硫键增强COFs的热稳定性。 (a) 共价二硫键在高温条件下对嗜热和超嗜热细菌热稳定性的提升作用示意图。 (b) 仿生质子化策略示意图：通过共价二硫键聚合形成聚酸，并将其穿入COF孔道中，形成聚酸质子化COFs（简称PaCOFs）。图中DMSA代表二巯基丁二酸，DMSA-SS代表通过共价二硫键聚合的DMSA。

通过粉末X射线衍射、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱等表征手段（图2a-d），研究证实了PaCOFs的成功制备与稳定质子化。其固态紫外-可见漫反射光谱显示吸收边延伸至近红外区域（图2d），带隙从2.19 eV显著缩小至1.55 eV（图2e），分子轨道分布表明质子化后电子离域增强（图2f），这为其高效光热转换奠定了电子结构基础。

图2. TTPA-COF与Pa-TTPA-COF的结构与电子表征。 (a) 粉末X射线衍射图谱，(b) X射线光电子能谱，(c) 傅里叶变换红外光谱，(d) 固态紫外-可见漫反射光谱。 (e) 由Tauc图导出的TTPA-COF与Pa-TTPA-COF的带隙能量。插图：相应的计算能级图。 (f) 展示TTPA-COF与Pa-TTPA-COF中电子分布的分子轨道示意图。

在光热性能测试中（图3），PaCOFs在808 nm激光照射下表现出快速而强烈的温升，光热转换效率高达77.8%，远超普通COFs（43.3%）及多数文献报道的光热材料（图3f）。材料在不同功率密度下表现出线性温升响应（图3c, d），并在多次循环后保持稳定的光热性能（图3e），显示出优异的可靠性和环境适应性。

图3. Pa-TTPA-COF的光热性能与机制。 (a) TTPA-COF与Pa-TTPA-COF在808 nm激光照射（0.10 W cm⁻²）下的温度变化。插图：温度曲线与计算的光热转换效率。 (b) Pa-TTPA-COF形成“B”和“U”图案的照片及相应在808 nm激光照射（0.10 W cm⁻²）下的红外热成像图。 (c) Pa-TTPA-COF在不同激光功率密度下的温度变化。 (d) Pa-TTPA-COF温升与激光功率密度之间的线性关系。 (e) Pa-TTPA-COF在重复照射循环下的光热稳定性。 (f) 与代表性文献报道的光热转换效率对比。

为进一步推向应用，研究团队将PaCOFs与聚氨酯（PU）结合，通过静电纺丝技术制备出可拉伸的光热纺织品（图4b）。该纺织品在模拟太阳光的氙灯照射下表现出显著且可控的温升（图4c），即使在被拉伸至150%应变时，其光热性能依然稳定（图4d）。户外实测结果表明（图4e, f），该纺织品在自然光照下温度明显高于普通PU织物与环境温度，展现出优异的实际应用潜力。

图4. 可拉伸Pa-COF基纺织品的制备与光热性能。 (a) 雷达图对比代表性材料的关键光热性能指标。 (b) Pa-TTPA-COF-PU纺织品的SEM图像。插图：Pa-TTPA-COF-PU纺织品的光学照片。 (c) Pa-TTPA-COF-PU纺织品在不同强度氙灯下的温度变化，并与PU纺织品在0.10 W cm⁻²下的对比。插图：Pa-TTPA-COF-PU纺织品温升与激光功率密度的线性关系。 (d) Pa-TTPA-COF-PU纺织品在50–150%应变下、0.10 W cm⁻²氙灯照射下的温度响应。插图：150%应变下的光学与红外图像。 (e) 户外实验地点气象与地形数据。插图：户外光热测量装置示意图。 (f) 在自然光下记录的Pa-TTPA-COF-PU纺织品、PU纺织品及环境温度的实时温度数据。

最终，研究构建了一种双模式Janus织物（图5a），一面为PaCOFs-PU用于吸热，另一面为高反射PU用于散热。该织物在太阳照射下可实现高效的加热与冷却双重调控（图5c, d），实际穿着测试中，与普通衣物相比，其加热面温差可达约10.1°C，冷却面可实现约7.2°C的降温效果（图5f），为应对不同季节与气候条件下的个人热管理提供了创新解决方案。

图5. 用于个人热管理的不对称结构双模式Janus纺织品。 (a) 双模式Janus纺织品的设计概念与工作原理。 (b) 测得的太阳光反射率（红线）与长波红外发射率（紫线）。 (c) 计算的理论冷却功率与(d)加热功率随非辐射传热系数变化的曲线。 (e) 实际穿着测试示意图，展示人体与衣物之间的微环境。 (f) 在自然光下记录的微环境实时温度曲线。

本研究通过仿生设计成功开发出具有超强稳定性和高效光热转换性能的聚酸质子化COFs，并进一步将其集成于可穿戴纺织品中，实现了双模式智能热管理。该突破不仅推动了共价有机框架在光热领域的实用化进程，也为未来柔性可穿戴设备在个人热舒适与节能方面的应用开辟了新的道路。