2026-08-272026-08-27https://hdl.handle.net/11420/64520Dieses Projekt entwickelt einen neuartigen Ansatz für Phasenwechselmaterial (PWM)-Verbundwerkstoffe durch die Integration von MXen-Aerogelen mit einem interpenetrierenden vernetzten Polymernetzwerk. Herkömmliche PWMs, die häufig zur thermischen Energiespeicherung in Anwendungen wie erneuerbaren Energien, Gebäudedämmung und Elektronikkühlung eingesetzt werden, weisen wesentliche Einschränkungen auf, wie geringe Wärmeleitfähigkeit, Austritt während Phasenübergängen und niedrige mechanische Stabilität. Diese Forschung stellt eine bahnbrechende Materialarchitektur vor, die diese Herausforderungen durch die Kombination der außergewöhnlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften von MXen-Aerogelen mit einem robusten Polymernetzwerk zur Einschließung des PWMs bewältigt und damit verbesserte Leistung und Haltbarkeit gewährleistet. Die Kerninnovation dieser Arbeit ist die Entwicklung einer multifunktionalen Hybridstruktur. MXen-Aerogele – bestehend aus zweidimensionalen Carbid- und Nitridschichten – werden als ultraleichtes, jedoch hochleitfähiges thermisches Gerüst genutzt. Ihr verbundenes poröses Netzwerk bietet effiziente Wärmeübertragungswege, nahezu 100% photothermischen Umwandlungswirkungsgrad und starke Lichtabsorption im Nahinfrarotbereich, was sie ideal für die Solarenergienutzung macht. Die Einbindung eines vernetzten Polymernetzwerks verstärkt den Verbundwerkstoff zusätzlich durch chemische Verankerung der PWM-Moleküle und verhindert Austritt selbst unter extremen Heizbedingungen. Diese interpenetrierende Struktur verbessert deutlich die Formstabilität, mechanische Integrität und thermische Ansprechzeit im Vergleich zu herkömmlichen PWM-Verbundwerkstoffen. Ein wesentlicher Aspekt dieser Forschung ist die systematische Optimierung der Materialzusammensetzung und Verarbeitungstechniken zur Erreichung überlegener Leistungsmerkmale, einschließlich PWM-Beladungen von über 95%, verbesserter Wärmeleitfähigkeit (20-fach höher als reine PWMs) und Langzeitstabilität über 500 thermische Zyklen. Das Projekt wird die molekularen Wechselwirkungen untersuchen, die die PWM-Retention innerhalb des Aerogel-Netzwerks bestimmen, sowie das thermodynamische und mechanische Verhalten des Verbundwerkstoffs unter realen Betriebsbedingungen. Das erwartete Ergebnis ist eine neue Klasse von Hochleistungs-PWM-Verbundwerkstoffen mit unübertroffenen Wärmemanagementfähigkeiten, die Durchbrüche in Energiespeichertechnologien ermöglichen. Diese Materialien werden einen transformativen Einfluss auf Anwendungen haben, von der solarthermischen Energiespeicherung und intelligenten Baumaterialien bis hin zur fortschrittlichen Elektronikkühlung und tragbaren Temperaturregelung. Durch die Überbrückung der Lücke zwischen grundlegender Materialwissenschaft und angewandten Energielösungen legt diese Forschung den Grundstein für nachhaltige thermische Energiespeichersysteme der nächsten Generation.This project pioneers a novel approach to phase change material (PCM) composites by integrating MXene aerogels with an interpenetrating crosslinked polymer network. Conventional PCMs, widely used for thermal energy storage in applications like renewable energy, building insulation, and electronics cooling, suffer from key limitations such as poor thermal conductivity, leakage during phase transitions, and low mechanical stability. This research introduces a breakthrough material architecture that addresses these challenges by combining the exceptional thermal and mechanical properties of MXene aerogels with a robust polymer network to confine the PCM, ensuring enhanced performance and durability. The core innovation of this work is the development of a multifunctional hybrid structure. MXene aerogels—composed of two-dimensional carbide and nitride layers—are leveraged as an ultralight yet highly conductive thermal scaffold. Their interconnected porous framework provides efficient heat transfer pathways, nearly 100% photothermal conversion efficiency, and strong light absorption in the near-infrared region, making them ideal for solar energy harvesting. The incorporation of a crosslinked polymer network further reinforces the composite by chemically anchoring the PCM molecules, preventing leakage even under extreme heating conditions. This interpenetrating structure significantly improves shape stability, mechanical integrity, and thermal response time compared to conventional PCM composites. A key aspect of this research is the systematic optimization of material composition and processing techniques to achieve superior performance metrics, including PCM loadings exceeding 95%, enhanced thermal conductivity (20× higher than pure PCMs), and long-term stability over 500 thermal cycles. The project will investigate the molecular-level interactions governing PCM retention within the aerogel network, as well as the thermodynamic and mechanical behavior of the composite under real-world operating conditions. The anticipated outcome is a new class of high-performance PCM composites with unparalleled thermal management capabilities, enabling breakthroughs in energy storage technologies. These materials will have a transformative impact on applications ranging from solar thermal energy storage and smart building materials to advanced electronics cooling and wearable thermal regulation. By bridging the gap between fundamental material science and applied energy solutions, this research sets the foundation for next-generation sustainable thermal energy storage systems.