综述：多维结构工程对相变材料性能和应用场景的影响：从0D纳米结构到3D宏观结构的全面综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：The influence of multidimensional structural engineering for phase change materials on their performance and application scenarios: A comprehensive review from 0D nanostructure to 3D macrostructure

相变材料多维结构工程综述：从0D纳米封装到3D宏观架构的智能热能管理，系统分析封装材料在提升储能密度、循环稳定性及泄漏控制中的关键技术，提出跨维复合设计及AI辅助材料开发等未来方向，为可再生能源高效存储提供理论支撑。

　　在当今全球能源可持续发展的背景下，相变材料（Phase Change Materials, PCMs）的多维结构工程成为解决能源存储与管理难题的重要手段。通过将PCMs的结构从三维宏观架构到零维纳米结构进行系统整合，并赋予其智能化功能，这种技术正在逐步改变能源存储和应用的方式。本文旨在全面梳理PCMs在多维结构工程方面的最新进展，探讨其在热能存储与管理中的关键挑战，并为未来研究提供方向。

从结构角度来看，PCMs的封装策略被划分为从0D到3D的不同层次。0D结构主要依赖于核心-壳层设计，通过物理吸附或化学封装将液态PCM固定在载体内部，从而在相变过程中保持宏观的固态形态，有效避免泄漏问题。这种设计不仅提高了材料的稳定性，还增强了其在特定应用场景下的性能表现。1D结构则以线性封装为主，通常通过纺丝技术实现，适用于需要定向热传导的场景，如微电子器件的温度控制。2D结构主要依赖于层状设计，例如MXene膜，这种结构在电子设备和可穿戴设备中表现出色，因其兼具灵活性和多功能性，能够实现精确的热调节。3D结构则采用宏观骨架设计，如石墨烯气凝胶和多孔支架，这些材料在大规模能源存储和建筑保温方面具有显著优势，能够利用其高孔隙率和机械稳定性，有效提升能量存储密度和系统稳定性。

PCMs的多维结构工程不仅影响其物理性能，还决定了其在不同应用中的表现。例如，3D宏观结构因其高孔隙率和机械强度，适用于大规模储能和建筑保温，能够在不改变温度的情况下存储大量热能，从而避免温度波动对系统稳定性的影响。2D层状结构则因其灵活性和多功能性，被广泛应用于电子设备和可穿戴设备的热管理，能够实现精确的温度控制，提高设备的运行效率和使用寿命。1D和0D结构则更适用于微观领域的热调节，如微电子和生物医学应用，能够提供更高的密封性和更快的响应速度，满足特定应用场景的需求。

在能源存储技术中，PCMs具有显著的优势。其核心机制是通过相变过程吸收或释放大量的潜热，从而实现高效的热能存储和释放。与显热存储相比，PCMs的储能密度更高，可达5至14倍，这使得其在能量存储和释放过程中能够保持温度基本不变，从而避免温度波动对系统稳定性的影响。此外，PCMs的化学惰性和操作安全性也使其在实际应用中更加可靠。

在实际应用中，PCMs的多维结构工程被广泛应用于多个领域。例如，在太阳能领域，夏季的热能可以通过PCMs存储，并在冬季用于供暖，实现跨季节的热能调节。这一技术已在丹麦的Drake Landing社区项目中得到应用，通过水合盐PCM实现了50%的供暖覆盖。此外，具有高光热转换效率的复合PCM，如石墨烯氧化物增强材料，能够直接存储太阳能，并在需要时稳定释放，提高能源利用效率。在光伏冷却方面，PCMs可以吸收光伏板运行过程中产生的废热，避免电池过热导致的效率下降，从而提高发电稳定性。在风能领域，PCMs可以将多余的电能转化为热能并存储，待风力不足或用电高峰时释放，实现风能的削峰填谷，减少“弃风”现象的发生。

PCMs的多维结构工程不仅解决了单体材料的局限性，还通过复合技术实现了更高效的能量存储和释放。例如，通过将0D纳米胶囊嵌入3D框架中，可以优化热传导性能并提高循环稳定性。这种多层次的复合设计不仅增强了材料的性能，还扩大了其应用范围。此外，通过在不同维度中选择合适的封装材料，如生物质基、矿物基和聚合物基材料，可以有效解决泄漏问题，提高材料的使用效率和安全性。

目前，PCMs的封装材料主要分为三类：生物质基、矿物基和聚合物基。生物质基材料利用天然生物质或其衍生物作为载体，具有良好的生物相容性和可降解性，适用于环境友好型应用。矿物基材料则利用无机矿物或金属氧化物作为外壳，具有较高的热稳定性和化学惰性，适用于高温环境下的应用。聚合物基材料则通过有机聚合物形成柔性的外壳，具有良好的密封性和加工性能，适用于需要高灵活性和多功能性的应用场景。

为了进一步提高PCMs在热能存储和管理中的应用效果，研究人员正在探索新的封装策略和技术。例如，通过将纳米材料与宏观结构相结合，可以实现更高效的热传导和更高的能量存储密度。此外，通过引入智能响应材料，如温度敏感型或光响应型PCM，可以实现对环境变化的自动调节，提高系统的智能化水平。这些技术的突破不仅有助于解决现有的热能存储难题，还为未来能源存储和管理提供了新的思路。

尽管PCMs在多维结构工程方面取得了显著进展，但仍然存在一些关键挑战。例如，如何实现大规模的制备，如何提高材料的耐久性和循环稳定性，以及如何降低生产成本，这些都是当前研究的重点。此外，如何将PCMs的多维结构工程与实际应用场景相结合，也是未来需要解决的问题。通过引入人工智能驱动的材料设计，可以加速新材料的开发和优化，提高研发效率。

总之，PCMs的多维结构工程正在逐步改变能源存储和管理的方式，为实现全球能源可持续发展目标提供了新的技术路径。通过系统分析和分类不同维度的封装材料，研究人员可以更好地理解现有技术的优势和局限性，并为未来研究提供方向。这一领域的持续发展不仅有助于提高能源利用效率，还为解决能源短缺问题提供了新的解决方案。