《Science》正刊丨多孔材料！能源技术的下一个前沿领域

比翱科技集团有限公司，科技创新与工业研发领域的行业领先平台与现代工程技术服务商，致力于基础科学和前沿科技的工业转化、创新研制、标准化与产业推进。比翱提倡和引领多孔介质基多物理场设计革新与数智赋能，以工业软件、科学仪器和功能材料为内核驱动，成就材料物理全球工程生态和智能制造时代新质生产力。

MetaBiot先进材料中心丨多孔材料诺奖之后：MOF遇上声学与振动控制

比翱研究院丨MOF多孔材料先驱：开创全新化学领域的诺贝尔奖获得者

具有从分子尺度到宏观尺度（埃级至厘米级）跨孔径分布的多孔材料，在电化学、热电、核能及太阳能动力源领域，以及石油、天然气与地热资源开采中具有关键作用。为实现清洁、快速、高效的能量转换，必须对多孔结构进行精准设计，以调控能量传递载体的流动行为。质量流、电荷流、热流、辐射流与压力流作为核心能量传递形式，需要在单位器件体积内实现最优比表面积的同时，对这些能量流进行协同优化。

电子、离子或分子通过多孔材料的传输对众多过程至关重要，且发生在广泛的尺度范围内。这些过程大多与能源技术相关，无论是从地下深处提取燃料，还是在固体电解质中传输电荷。

以色列理工学院Eliyahu M. Farber、David Eisenberg等在《Science》上发表综述文章，概述多孔结构中能量传递的物理过程，重点阐述了孔隙结构设计、表征模拟及机理研究的最新进展，这些突破正推动着能源技术领域的全面革新。

孔隙尺寸从埃（angstroms）到厘米级（centimeters）的多孔材料由空隙和物质两相组成。这两相允许多种能量载体的传递，例如质量、电荷、热量、辐射和压力。两相之间的高面积界面使得这些能量载体能够相遇并通过各种过程相互转化，这些过程既包括光、热、电和化学流之间所需的催化转化，也包括裂解、钝化或激发态猝灭等不良事件。由于其能量传递能力，多孔材料在广泛的能源应用领域中得到日益广泛的应用，推动了太阳能、核能、电化学、热能和地下能源提取与转化等领域的性能突破。

多孔材料是大多数能量转换和提取技术的关键组成部分

通过将能量转换装置或燃料提取技术视为多孔材料固相和空隙相中能量载体的同步转移和相互转化，可以设计出适用于各种应用的更优多孔组件。这种视角凸显了限制因素，并揭示了优化、模拟和跨学科融合的新机遇。例如，在总体积表面积最大化的多孔电极中，同时调控质量和电荷转移可以提高电化学装置（如超级电容器、燃料电池、电池和电解槽）的功率密度。所有能量流都受到孔隙几何形状（尺寸、形状和方向）和空间分布（有序性、层级性和方向性）的限制。因此，通过调控孔径和孔隙大小，可以提高孔隙嵌入相变材料（例如碳中的石蜡）的储热性能：在提高导热性的同时保留活性物质。在高温下储存太阳热能的热化学反应材料中，多孔结构可以在多个长度尺度上进行调控，从而增强光吸收、热量分布以及反应前沿在时间和空间上的演化。孔隙还可以用于选择性地阻断能量流：在热电发电机中，引入不连续的孔隙可以分散声子但不分散电子，从而降低热导率，同时保持高效热电能量转换所需的温差和电子导电性。多孔结构会随时间演变：核燃料颗粒内部会因逸出气体的作用而形成孔隙；电池颗粒会发生纳米级裂解；或者在从低孔隙率岩石中非常规开采石油、天然气和地热的过程中（例如水力压裂），土壤中也会形成孔隙。

孔隙率设计的最终目标：针对每种应用场景构建特定的多孔结构，要求在分析、合成和材料表征方面取得重大进展。需要更完善的数学和计算模型来研究多孔材料中的能量传递过程。而这又需要利用断层扫描、光谱和衍射技术，在所有长度尺度上对多孔结构进行完整的三维可视化。这些技术将指导合成方法的进步，从而更有效地控制材料中孔径、形状和连通性模式的分布。

通过更全面地审视多孔材料，必须认识到孔隙率各个子领域之间的共性，从而促进合成策略、分析工具和灵感来源的交流。例如，仿生设计策略可以应对诸如同时控制材料的内部（例如，分级）孔隙率和外部形态（确定纹理孔隙率和粗糙度）或无需使用浪费的牺牲模板法即可合成精确的孔隙结构等挑战。用于理解地下能源开采中流体流动的层析成像和计算方法，应被催化或储热领域的研究人员更广泛地采用。总而言之，对能量流的更深入理解将推动新一代多孔组件的研发，以适应我们不断扩展的能源格局。

图文快览

多孔材料的基本结构与能量传递机制，展示了多孔材料的组成、分类、尺度范围及其在能量传递中的核心作用。A 描绘多孔材料由物质与孔隙两相构成，并定义了不同归一化表面积指标。B 提出“连通性钻石”概念，说明孔隙直径与间距对质量传递的影响。C 分类展示从天然堆积结构到人工设计结构的多孔材料类型。D 展示不同能源技术中孔隙的显微图像或模拟结构，涵盖从超级电容器到地下储层。E 总结多孔材料中五类基本能量传递过程：质量、电荷、热量、辐射和压力

从地下多孔储层中提取能源，揭示了地下多孔介质中流体运移的复杂动态及其在能源开采中的调控机制。A 展示有无水力压裂条件下石油、天然气或地热资源的开采方式。B 描述多孔介质中流体运移模式，包括稳定驱替、毛细指进、Haines跳跃、液团合并等。C 通过FIB-SEM成像与三维重建展示页岩孔隙网络及其渗透性模拟。D 利用微CT成像揭示多相流中液团的动态行为

多孔材料在超级电容器、燃料电池和锂离子电池中的电化学能量转换作用。A-C 分别展示超级电容器中通过调控孔隙尺寸与离子匹配提升电容、二维MOF中高体积电容的实现。D-F 描述燃料电池中氧气传输路径、MPL层调控流型、以及GDL中优先通道的成像。G-I 展示锂离子电池中孔隙结构对锂离子传输的促进、单晶多孔电极的设计、以及逆蛋白石结构抑制枝晶的效果

多孔结构中传递过程图示：通过“孔隙三角形”与“物质三角形”系统归纳了多孔介质中质量、电荷、热量与辐射传递的极限条件与机制

展示了多孔结构在热电发生器、相变储热与热化学循环中对能量传递与转换的优化作用。A-C 描述热电材料中通过引入孔隙散射声子以降低热导率，以及MOF中填充导电聚合物提升电导率。D-F展示相变材料在碳基质中的限域效应、熔点调控机制及多级孔壁的传热模拟。G-I 展示热化学材料在循环中孔隙结构的演化及其对反应稳定性的影响

多孔材料在钙钛矿光伏器件与太阳能热化学反应器中的光能转换过程，揭示了多孔结构在钙钛矿光伏与太阳能热化学燃料合成中对光、电荷、质量与热量传递的协同调控。A-C展示MOF在钙钛矿电池中捕获铅离子、提升稳定性与效率的机制。D-F 描述多孔CeO₂在高温太阳热化学循环中，通过孔隙梯度优化光吸收与气体传输，提升燃料产率

此项工作的创新性主要体现在三方面：

- 提出“能量载体传输-转化”的统一分析框架，突破传统按材料类型或应用领域分类的局限，从质量、电荷、热量、辐射、压力五大能量载体的传递规律出发，揭示孔隙几何与空间分布对能源转换效率的核心调控作用，建立“空隙三角形”、“物质三角形” 等可视化模型，为多孔材料设计提供通用理论工具。

- 强调跨领域融合与技术共享，指出地球科学的孔隙成像（如FIB-SEM、X射线断层扫描）与模拟方法（如孔隙网络模型）可应用于电化学器件、储热等领域，仿生设计（如层级孔隙、定向通道）可同时解决 “高比表面积” 与 “低传质阻力” 的矛盾，MOF、MXene等新型多孔材料的跨场景应用（如太阳能电池、从超级电容器拓展至储热）也为领域交叉提供新思路。

- 明确“特定应用定制多孔结构”的未来方向，针对不同能源技术（如地下开采需高渗透率、热电需低导热高导电）的差异化需求，提出通过多尺度建模与精准合成实现孔隙结构的定制化，同时关注动态孔隙演化（如电池循环中孔隙变化、核燃料中裂变气体致孔隙）对长期性能的影响，为下一代能源材料的研发提供新范式。

原文来源：Eliyahu M. Farber et al. , Porous materials: The next frontier in energy technologies. Science 390, eadn 9391 (2025). DOI: 10.1126/science.adn9391

通过阅读原文了解此项研究成果。