综述：关于改性多孔材料对封装相变材料热性能影响的综述

《Journal of Energy Storage》：A review on the influence of modified porous materials on the thermal performance of encapsulated phase change materials

本文系统综述了相变材料（PCMs）封装于改性多孔材料中的热性能优化机制，提出结构、表面及复合三种改性策略，分析其对储热性能的影响，并总结其在太阳能利用、建筑节能和电子散热中的应用进展与挑战。

　　

Xianqi Qin|Weisan Hua|Xuelai Zhang

上海海事大学商船学院，上海，201306，中国

摘要

潜热储能是主要的储能方法之一，其核心是相变材料（PCMs）。由于成本低、易获取且储能密度高，PCMs近年来在热储能系统和温度控制应用中受到了广泛关注，展现出巨大的潜力。然而，PCMs通常存在一些固有的缺点，如导热性低、相变过程中容易泄漏以及腐蚀性，这些限制了它们的大规模应用。多孔材料具有高比表面积、可调节的孔结构以及良好的机械稳定性，是封装PCMs的理想基质。通过毛细力和表面张力等机制，它们可以有效限制PCMs并减轻泄漏问题。然而，原始多孔材料往往存在孔结构单一和表面功能不足的问题，导致封装PCMs的热储能性能和传热效率不佳。尽管已有许多关于改性多孔材料用于封装PCMs的研究，但这些发现尚未得到系统的总结。与以往主要按材料类型分类的综述不同，本文提出了一种新的系统研究视角，将改性策略分为三种类型：结构改性、表面改性和复合改性，并对其对相变材料热性能的影响进行了深入分析。此外，还介绍了改性多孔材料封装PCMs在太阳能利用、建筑能源效率和电子设备热管理等领域中的应用。最后，提出了现有的研究挑战、针对性的解决方案以及未来的研究方向，为该领域的进一步发展提供了参考。

引言

随着全球经济的快速增长，我们对能源的需求持续增加。然而，过去传统化石燃料的广泛使用不仅导致了严重的环境污染，还加剧了能源危机[1]。在这种背景下，调整能源结构并探索可再生能源的有效利用途径已成为实现可持续能源发展的必然选择[2]。近年来，储能系统被广泛认为是释放可再生能源潜力的关键技术，通过储能技术实现能源回收和脱碳目标[3]。在各种储能技术中，热储能（特别是潜热储能）因其实用性和高能量密度而具有广泛的应用前景。相变材料（PCMs）作为潜热储能的核心，可以通过可逆的相变过程高效地储存和释放热能，为解决可再生能源的间歇性问题并提高能源利用效率提供了有效方法[4]。

PCMs是一类功能性材料，在相变过程中能够实现高效的热能储存和释放，同时保持几乎恒定的温度[5]。因此，它们被广泛应用于热储能和温度控制等领域[6]、[7]、[8]。根据相变形式，PCMs可分为四种类型：固-液、固-气、液-气和固-固。其中，固-液PCMs在储能系统中的应用潜力最大，因为它们的体积变化小且相变温度范围宽[9]、[10]。在太阳能利用、电子设备冷却、建筑能源效率和工业废热回收等领域，它们通过有效的热管理和高密度储能促进了高效的节能和可持续能源利用[5]。

在实际应用中，尽管固-液相变材料具有许多显著优势，但也存在一些固有的局限性，如相变过程中的液体泄漏和腐蚀、导热性低以及循环稳定性不足。这些问题严重影响了材料的热储能性能和传热效率，从而限制了它们的广泛应用[11]、[12]。为了克服这些缺点，将PCMs封装在多孔材料中被认为是最有效的策略之一。多孔材料具有高比表面积、可调节的孔结构、优异的机械稳定性和化学惰性，是封装PCMs的理想基质。通过内部毛细力、表面张力以及内部表面与分子之间的结合作用，多孔材料可以吸附大量的PCMs并有效限制其液态分子，防止泄漏和热储能能力的损失。此外，多孔材料的网络结构可以为PCMs提供热传导路径和稳定的支撑，提高复合材料的导热性和稳定性。

然而，将PCMs封装在多孔材料中也存在一些局限性。首先，从结构特性的角度来看，大多数原始多孔材料具有单一且几乎固定的孔结构，这导致PCMs的装载容量与抗泄漏性之间不可避免地存在权衡。此外，一些多孔材料的孔径分布不均匀且孔隙连通性差，进一步降低了复合PCMs的整体热性能[13]、[14]、[15]。其次，多孔材料与PCMs之间的界面兼容性是一个不可忽视的关键问题。不良的兼容性不仅会导致PCMs装载效率低，还会由于界面处缺乏有效的化学结合而产生较高的界面热阻[16]、[17]、[18]。从工程应用的角度来看，高纯度、高比表面积多孔材料的成本仍然很高。此外，实际应用中的复杂操作条件对封装在多孔材料中的PCMs的机械性能和循环稳定性提出了更高的要求[19]、[20]。

迄今为止，研究人员对多孔材料中相变材料（PCMs）的封装进行了大量综述研究，如表1所示。尽管这些研究提供了宝贵的参考，但现有工作主要集中在单一类型或多孔材料的物理吸附效应上。关于通过改性突破PCMs应用瓶颈的核心策略，系统性的合成和深入的机理讨论仍然缺乏。因此，与以往主要按材料类型分类的综述不同，本文首次从“改性策略”的角度系统阐述了不同改性方法对封装在多孔材料中的PCMs热性能的影响机制。本文还比较了每种改性方法的优点、缺点和适用场景。如图1所示，根据改性原理，现有研究被分为三种范式：结构改性、表面改性和复合改性。详细阐述了构建分层孔结构、界面功能化和多组分协同作用的制备方法。深入分析了上述三种改性方法对复合PCMs的导热性、相变焓、过冷度、泄漏抑制和循环稳定性的影响模式。特别是通过比较分析，揭示了“结构-表面-复合”改性之间的协同作用如何解决多孔材料中“高装载容量”与“高导热性”之间的矛盾。最后，本文总结了改性多孔材料封装PCMs在太阳能利用、建筑能源效率和电子设备热管理中的应用进展。基于当前在基础机理研究、工艺复杂性和多功能集成方面的挑战，提出了未来的研究方向，旨在为针对PCMs封装的多孔材料改性研究提供理论基础和技术参考。

章节片段

PCM

利用PCMs进行潜热储能对于应对能源短缺挑战至关重要[28]。PCMs的核心价值在于它们在狭窄温度范围内的高热储存能力，能够在相变过程中实现高效的热吸收和释放[29]、[30]、[31]。这一独特性质使PCMs在建筑能源效率、空调和制冷以及太阳能利用等领域具有很高的价值[32]、[33]。

在实际应用中，PCMs

为PCM封装改性多孔材料

根据本综述的研究结果，为提高多孔材料与PCMs的兼容性而进行的改性研究可以大致分为三个主要方向：结构改性、表面改性和复合改性。其中，结构改性主要优化多孔材料的物理孔网络，以提高质量传递过程和封装稳定性；而表面改性则侧重于调节化学界面，以改善界面性能

封装改性多孔材料的应用

通过结构改性、表面改性和复合改性，多孔材料的孔结构、表面特性和成分组成得到了优化。这显著提高了封装PCMs的装载容量、导热性、循环稳定性和功能性，展示了其在多个实际领域的广泛应用潜力。这一进展不仅降低了能源消耗，还显著提高了

结论

本综述总结了改性多孔材料对封装PCMs热性能的影响，并强调了它们在热储能、太阳能热利用、建筑供暖和热绝缘等领域的显著应用进展。结构改性采用模板法和碳化等方法构建分层孔结构，实现了PCMs储存容量与限制能力之间的平衡。

挑战

尽管取得了显著进展，但用于封装PCMs的改性多孔材料领域仍面临几个关键挑战：

1)

基础机理研究的瓶颈：三种改性策略各有固有的缺点。结构改性难以在保持高孔隙率的同时实现结构稳定性。表面改性面临孔堵塞和长期耐久性不足的问题。复合改性则遇到

CRediT作者贡献声明

Xianqi Qin：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。Weisan Hua：撰写 – 审稿与编辑，监督。Xuelai Zhang：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。