孔隙

能源技术中多孔性研究的未来方向多孔性研究的最终目标，是为每种能源应用设计出最优孔隙结构。

例如，仿生设计策略可应对诸多挑战，如同时控制材料的内部（如层级）多孔性及其外部形貌（决定结构多孔性和粗糙度），或无需浪费性牺牲模板即可合成精确孔隙结构。

与金属-硫电池类似，相变材料向多孔基质中的渗透需要开放孔隙结构，但这会导致其在工作过程中发生溶出（106）。

为释放这些气泡（避免其阻碍热量移除与中子进一步传播），芯块必须具备连通孔隙结构。

光子向电压或热量的转化发生在固体相中，但孔隙结构会影响光的捕获与散射（包括衍射、反射与折射）。

周期性孔隙结构在阻挡声子的同时，可允许电子沿直线传输（96）。

因此，燃料成分与结晶度的选择，以及辐射强度，会决定孔隙结构的演化，进而影响材料中的辐射、热量与质量传输（152）。

多孔性研究的最终目标，是为每种能源应用设计出最优孔隙结构。

孔隙结构为解决这一矛盾提供了思路（88）。

有序孔隙结构（如反蛋白石结构与碳框架）有助于均匀金属-空气电池中的电场，从而促进质量传输并抑制可能导致器件短路的枝晶生长（图3I）（81）。

精心设计的孔隙结构可增强反应活性与传质效率（123），甚至能抑制孔隙坍塌（123）。

（I）通过纳米结构材料的部分烧结设计孔隙结构，可提高并稳定热化学再氧化速率（123）。

MOFs材料具有超大比表面积（最高可达6000-8000m2/g）、可通过配体修饰精确调控的孔隙结构，以及丰富的表面反应活性（48），因此能实现极高的体积电容（>700F/cm3；

分析技术的最新进展使得研究者可通过岩芯切片的二维（2D）和三维（3D）成像估算水力传导率：利用电子显微镜、纳米计算机断层扫描、显微计算机断层扫描、磁共振和原子力显微镜获取图像，再通过孔隙网络模型对孔隙结构进行计算分析（12-14）（图2C）。

孔隙结构既决定岩石的整体渗透率，也影响流体团（油团）局部、复杂且突发的动态行为。

孔隙结构的关键作用包括：使催化剂纳米颗粒暴露于反应物中（54）、保护颗粒免受离聚物毒害（55），以及将生成的水通过相同的层结构反向排出（避免水分凝结堵塞氧气通道）。

岩石的孔隙结构决定了流动方向上的水力传导率K，以及流体前沿稳定性（与流体黏度μ和表面张力相关）——这对高效开采至关重要（图2B）。

工作过程中，电子（通过固体相流动）与带相反电荷的离子（通过孔隙流动）在界面处相遇，将动能转化为势能（E），其能量大小与电池电容（Ccell）相关，满足公式。

设计特定孔隙结构有助于在催化剂层-气体扩散层界面保留水分，缓解膜脱水问题。

这要求优化孔隙结构，以实现反应物与产物在高体积比表面积内外的快速质量传输，同时确保电子与热量能通过固体相及固-液界面传导。

通过静电纺丝制备不同间距的纤维（57）、刻意制造裂缝（58）、激光刻槽（59,60）或其他纳米制造方法（61,62），可在不同层中构建“层级式”（尺寸梯度）孔隙结构，以实现水分传输调控。

核反应堆中会发生辐射诱导的孔隙形成：入射中子辐照会使核燃料芯块（23⁵UO₂）产生气态核裂变产物（Xe与Kr）（151）。

这些技术将指导合成技术进步，进而实现对材料中孔隙尺寸、形状和连通模式分布的全面控制。

除将多孔材料视为低密度无孔材料外，当孔隙尺寸相对于光子波长足够大（大致满足πdpore>5λ）时，可通过几何光学分析孔隙中的辐射传输（147）。

孔隙还可用于选择性阻断能量流：在热电发生器中，引入不连通孔隙可散射声子但不影响电子传输，在降低热导率的同时，维持高效热电能量转换所需的温差和电子电导率。

多孔材料还可开拓新的能源应用场景，如梯度孔隙钛骨植入体的机械能吸收（165），或采用多孔低介电聚合物、降低功耗的集成电路（166）。

对硅纳米线的孔隙率进行精细调控，可在不过多降低电导率σ的前提下降低热导率κ，最终提升优值系数ZT（图5B）（90）。

然而，这种高孔隙率会降低体积比表面积，并可能引发不良的电极阻塞界面形成。

理解热化学材料中的反应前沿与孔隙动态至关重要，但也极具挑战——因为所有传输过程相互耦合（图4B）（117）。

（B）通过调控硅纳米线的孔隙率，可在不显著降低电导率的前提下降低热导率，从而增强其高温热电性能（90）。

设计特定孔隙结构有助于在催化剂层-气体扩散层界面保留水分，缓解膜脱水问题。

精心设计的孔隙结构可增强反应活性与传质效率（123），甚至能抑制孔隙坍塌（123）。

电池电极内部的质量与电荷传输从便携式设备到电网储能系统，电池的电极孔隙中均填充有电解质，以促进离子在增大的电极表面上传输。

（I）通过纳米结构材料的部分烧结设计孔隙结构，可提高并稳定热化学再氧化速率（123）。

例如，氧化镁（MgO）花状结构的层级孔隙设计，可通过孔壁间隙的膨胀缓冲作用、较薄的MgO孔壁及改善的导电性，缓解循环（ΔH°=81kJ/mol，400℃）过程中的机械应力（图5H）（121）。

能源技术中多孔性研究的未来方向多孔性研究的最终目标，是为每种能源应用设计出最优孔隙结构。

孔隙结构的关键作用包括：使催化剂纳米颗粒暴露于反应物中（54）、保护颗粒免受离聚物毒害（55），以及将生成的水通过相同的层结构反向排出（避免水分凝结堵塞氧气通道）。

天然排水通道（如结构孔隙与随机裂缝）的作用可能是有利的，也可能是不利的，具体取决于工作条件（图3E）（56）。

电池电极内部的质量与电荷传输从便携式设备到电网储能系统，电池的电极孔隙中均填充有电解质，以促进离子在增大的电极表面上传输。