导读
电子、离子和分子在多孔材料中的传输行为，贯穿于能源科学的方方面面——从地下深处的燃料开采，到固态电解质中电荷的移动。随着能源系统对高效传输与转化的需求不断增长，多孔材料因其独特的孔结构与能量耦合能力，正成为新一代能源技术的核心载体。埃利亚胡· 法伯 ,尼古拉· 塞拉芬 等学者发表在science的文章详细介绍了多孔材料的研究进展。
一、背景：从“孔”看能源
多孔材料由“物质相”和“空隙相”两部分组成，其孔径可从埃（Å）级到厘米级跨越多个尺度。
这种结构赋予了材料独特的能量传输特性——质量、热量、电荷、辐射与压力等不同能量载体（energy vectors）可以在其中传导、转化、甚至相互耦合。
这一高比表面积界面让多孔材料成为能量转换的理想平台：
- 在光、热、电、化学能之间实现高效催化转化；
- 同时避免如裂解、钝化、猝灭等不希望发生的副反应。
正因如此，多孔材料正在成为太阳能、核能、电化学能、热能以及地热能等领域性能突破的关键。
二、进展：孔结构如何驱动能源革命
通过将多孔材料视作能量载体的“传输与转化网络”，研究者正在重新定义能源器件的设计逻辑。
多孔材料是大多数能量转换和提取技术的关键组成部分。
多孔材料的孔径从埃到厘米不等，可以进行质量、电荷、热量、辐射和压力的传递，实现多种长度、时间和能量尺度的能量转换。
1. 电化学能量：同时优化质量与电荷传输
在电极材料中，通过调控孔径分布与连通性，可显著提高传质与导电效率。当单位体积内的比表面积最大化后，超级电容器、燃料电池、电解槽与电池的功率密度都将得到提升。
2. 热能调控：用孔结构储热与导热
例如在相变储热体系中，将石蜡等材料封装进碳基多孔骨架中，通过调整孔径与孔口大小，可在保持储能物质稳定的同时提升导热效率。
3. 太阳能与热化学反应：多尺度孔结构的协同
在高温储热或太阳能驱动反应中，孔结构在不同尺度上调控光吸收、热分布与反应前沿的演化，从而实现更高效的能量转化。
4. 热电转换：用孔阻断声子、保持电子
在热电材料中，通过设计不连通的孔隙结构，可以有效散射声子、降低热导率，同时保持电子通道的连续性，从而提升热电转换效率。
5. 孔的“演化”：能源体系的动态结构
在不同能源体系中，孔结构本身也会随时间演变：
- 核燃料颗粒中，气体析出形成新孔；
- 电池颗粒中，纳米级裂纹产生新通道；
- 页岩油气或地热开采中，低孔隙岩石通过压裂形成流体通路。
三、迈向“按需设计”的多孔体系
未来，多孔材料的设计目标是针对特定任务构建最优孔结构。
这要求在分析、建模与合成上实现三方面突破：
（1）从可视化到模型：多尺度结构的精确描述
借助断层成像、光谱与衍射技术，科学家可在三维尺度上重建孔隙结构，为能量传递过程的建模提供基础。
（2）从模拟到合成：孔结构的可控构建
在数学与计算模型指导下，研究者正逐步掌握孔径、形貌、连通性的可控调节，为不同能源应用定制“功能化孔结构”。
（3）跨领域启发：从自然到工程的融合创新
未来的多孔设计可借鉴生物启发式结构，例如同时调控内部层级孔（hierarchical porosity）与外部形貌（表面粗糙度、纹理孔隙），或实现无需牺牲模板的精确孔构筑。
此外，油气与地热领域用于研究流体流动的断层成像与数值模拟方法，也应被催化、储热等学科广泛借鉴，推动交叉创新。
四、结语
从能源存储到转化，从地表到地下，多孔材料已成为现代能源体系的“隐形引擎”。
随着人类对能量流的理解不断深化——质量、热、电、光、压力的相互耦合将被精准调控——新一代的多孔能源组件将推动全球能源格局进入一个更高效、更清洁、更智能的新时代。
资料来源：science返回搜狐，查看更多