太阳能虽取之不尽、用之不竭，但其“看天吃饭”的间歇性与低能量密度，使其难以直接满足连续用热需求。相变材料（PCM）就像“热电池”，靠熔化/凝固过程大量吸放热，是理想的储热载体；但传统无机PCM（如常见盐类及其水合物）存在严重过冷、易泄漏、吸光差等缺陷，限制了其太阳直接利用。如何实现太阳光能高效捕获、即时转热、高密度储存，是新能源领域核心难题。
光热相变材料（Photothermal Phase Change Materials, PTPCMs）是一种将光热转换材料与相变储热材料相结合的前沿复合材料。其核心原理是：在光照（如太阳光）充足时，光热转换材料将光能转化为热能，使相变材料发生相变（如固-液相变）并储存潜热；在光照减弱或消失时，相变材料逆向相变并释放储存的热量，从而实现热能的按需存储与释放。
近日，山东理工大学赵付来/付慧/冯奕钰、华东交通大学李震、天津大学封伟教授团队在Advanced Composites and Hybrid Materials刊发重磅综述，系统总结近十年无机PTPCMs结构工程策略，完整拆解碳基、MXene、陶瓷、泡沫/水凝胶五大复合体系，厘清三大光热转换底层机理，覆盖建筑、光伏热电、智能穿戴、红外隐身等全场景应用，同时点明行业现存瓶颈与未来攻关路线，为下一代高密度太阳能热管理材料提供完整设计理论框架。
图 1. 高性能PTPCMs组装设计原理图
一、为什么选无机相变材料？有机 vs 无机核心对比
大众熟知的石蜡、脂肪酸等有机相变材料，但其单位质量储热能力有限，且仅适用于中低温（＜150°C）轻量场景。
图 2. 无机PCM主要分类示意图
无机PCM主要分为水合盐、熔融盐、金属合金、冰四大类，优势突出：
✅ 相变储热温域覆盖0–1600℃，低温采暖、高温光热电站全覆盖
✅ 潜热远高于有机材料，锂基储热焓最高可达 2678 J/g
✅ 金属基体系导热系数10–430 W/(m・K)，传热速度碾压有机PCM
但短板同样致命：
⛝ 熔融盐高温腐蚀性强
⛝ 金属易氧化、自重偏大
⛝ 原生无机材料太阳光吸收率极低，无法直接用于光热收集
结构工程正是破解上述矛盾的核心方案：通过化学修饰 + 三维物理骨架构筑，同步解决漏液、过冷、低导热、弱吸光四大难题，诞生高性能无机 PTPCMs。
二、三大光热转换底层机制（看懂材料设计底层逻辑）
综述系统归纳所有光热填料的能量转化路径，所有复合体系均基于以下三类光热转换机理：
图3. 三类光热转换机理示意图
1. 半导体非辐射弛豫
Ti4O7、CuO、MoS2等半导体吸收光子后生成电子 – 空穴对，经缺陷辅助复合以热能释放，适合中低温储热、光热催化场景。
2. 等离子局域加热（LSPR）
金/银/铜纳米颗粒、MXene、TiN、ZrC依靠自由电子共振，全光谱强光吸收，光热转化效率接近100%，是高效吸光首选填料。
3. 分子晶格热振动
石墨烯、碳纳米管、膨胀石墨、聚吡咯等共轭碳材料，电子在 π-π* 轨道跃迁后通过晶格振动产热，成本低、稳定性强，是目前最普及光热载体。
不同维度（0D颗粒/1D碳管/2D纳米片/3D多孔网络）填料对吸光、导热、界面热阻影响截然不同，3D连通骨架可搭建连续导热通路，大幅缩短储放热响应时间。
三、五大主流无机 PTPCMs 体系全梳理（综述核心板块）
图4. 以无机相变材料作为储热功能单元的各类光热相变材料（PTPCMs）概览
1. 碳基光热相变复合材料（产业化潜力最高）
包含膨胀石墨、石墨烯/氧化石墨烯、碳纳米管、生物质多孔碳四大分支。
优势：广谱吸光、导热优良、原料廉价、可规模化制备
核心结构设计：
（1）生物质碳（甘蔗渣、西瓜皮、壳聚糖气凝胶）：天然多孔，提供大量结晶位点，过冷度可降至0℃，循环500次焓衰减仅5%；
（2）膨胀石墨：PCM负载率超95%，适配三水醋酸钠 (SAT) 低温储热体系，光热转换效率最高达94.2%；
（3）垂直碳纳米管阵列：定向导热通道，大幅提升面内热传导。
痛点：纯碳骨架力学偏脆，高填充会稀释相变潜热。
2. MXene二维基复合体系（新一代明星光热材料）
Ti3C2Tx等MXene自带丰富亲水基团，兼具LSPR效应与高导热。
亮点：
（1）层状风琴结构锁住水合盐，抑制漏液；
（2）大幅拓宽太阳光吸收波段，低温SAT体系92s即可完成完全相变；
（3）有效降低过冷，适配柔性水凝胶体系。
短板：合成成本偏高，高温环境稳定性不足，更适合中低温柔性设备。
3. 陶瓷基复合体系（高温光热电站专用）
SiC、TiN、AlN、ZrC多孔陶瓷为核心骨架。
核心优势：耐高温、耐腐蚀、超高导热（20–40 W/(m・K)）
适用场景：熔融盐高温储热、工业余热回收、聚光太阳能发电
创新结构：生物模板多孔 SiC（丝瓜、竹基）、蜂窝TiN/AlN 骨架，实现 95% 太阳光全吸收，高温体系潜热突破 424 J/g
不足：制备能耗高，原生陶瓷吸光弱，必须复合等离子填料。
4. 聚合物泡沫支撑体系（柔性低成本路线）
三聚氰胺泡沫、聚氨酯泡沫作为载体，复合 CuS、RGO 光热填料。
优势：质轻、柔韧性好，可裁切成型，适合建筑、户外低温设备
常用方案：泡沫骨架 + 光热涂层双层封装，彻底杜绝熔融盐渗漏，缺点是长期高温易老化。
5. 杂化水凝胶基 PTPCMs（柔性智能穿戴刚需）
以聚丙烯酰胺、海藻酸盐高分子交联网络包裹水合盐，复配GO/MXene。
独家特性：
（1）可拉伸、自修复，贴合人体皮肤；
（2）兼具光热储热 + 应变传感双重功能；
（3）可实现热敷理疗、人体恒温调控、柔性传感一体化。
短板：长期循环易失水，潜热相较硬质碳/陶瓷体系偏低。
图5. 最近十年无机PTPCMs的重要发展轨迹
四、八大落地应用场景，覆盖民生与军工
- 太阳能储热系统
白天捕获光能储存，夜间稳定放热，解决太阳能间歇性；超冷过冷 SAT 体系可实现跨季节长效储热。
- 家用太阳能热水
匹配 40–60℃相变区间，降低空调、热水器能耗，四口之家年减排 CO2超 500kg，投资回收期 3–4 年。
- 光热 – 热电发电（STEG）
将相变恒温热源耦合温差发电片，全天候稳定供电，适配野外监测、小型便携电源。
- 防除冰表面
白天储热，零下环境持续释热，避免风电叶片、桥梁、飞行器结冰。
- 智能可穿戴热管理
恒温衣物、理疗热敷、柔性传感面料，同步实现保暖、健康监测。
- 节能建筑围护
屋顶/墙体铺设PTPCMs，削减室内温差，空调能耗大幅下降。
- 红外热隐身
依靠相变吸热延缓温升，缩小设备与环境红外温差，军用装备热伪装。
- 形状记忆器件
光驱动形变，适用于自适应管道、智能薄膜。
五、现存核心挑战与未来研究方向
当前瓶颈
- 性能权衡矛盾：高导热填料添加会稀释相变材料，潜热大幅下降；
- 循环稳定性不足：多数实验仅完成500次以内测试，缺乏十年级老化数据；
- 规模化难题：真空浸渍、冷冻干燥工艺成本高，连续化生产线稀缺；
- 高温体系光热效率偏低，陶瓷基材料吸光改性方案有待突破；
- 水合盐体系失水、熔融盐腐蚀长期未彻底解决。
未来四大研究路线
- 多级有序骨架精准设计：分级孔道 + 定向导热通道协同，兼顾高负载与高导热；
- 多光热填料复配（碳 + MXene + 陶瓷等离子），实现全光谱高效吸光；
- 界面化学调控：表面接枝、核壳包覆，抑制腐蚀、失水、相分离；
- 多功能一体化开发：储能 + 传感 + 自修复 + 红外隐身复合新材料；
- 低成本绿色制备工艺开发，推动工业化落地。
六、论文信息
Fulai Zhao*, Huiyu Chen, Weikang Yuan, Hui Fu*, Zhen Li*, Enxiang Jiao, Linghang Wang, Yiyu Feng*, Wei Feng*. Structural Engineering of Inorganic PTPCMs for High-Efficiency Photothermal Energy Conversion and Storage. Advanced Composites and Hybrid Materials 2026, DOI: 10.1007/s42114-026-01875-8
原文链接：https://doi.org/10.1007/s42114-026-01875-8
作者单位：山东理工大学、华东交通大学、天津大学
基金支持：国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、泰山学者工程、江西省自然科学基金
作者简介
赵付来，天津大学博士，天津大学、浙江大学/京博控股集团博士后，山东理工大学材料学院教授、博士生导师，中国科协青年人才托举工程入选者、山东省泰山学者青年专家，中国复合材料学会纳米复合材料分会委员、导热复合材料分会委员，山东省科技库专家，连云港市科技评审库专家，山东省知识产权保护中心专家库专家。获中国化学会京博科技奖优秀博士论文奖、山东省材料学会教学成果奖一等奖和2025新域新质创新大赛优胜奖，天津大学本科生毕业设计（论文）优秀指导教师、第九届全国大学生创新体验竞赛优秀指导教师。主要从事二维纳米材料及纳米增强功能复合材料的研究工作，致力于纳米复合材料在电化学储能、热管理、太阳能与工业余热存储、光催化等领域的应用。在Nat. Commun.、Carbon Energy、InfoMat、Chem. Eng. J.、J. Energy Chem.等期刊发表SCI论文50余篇，参编英文专著一部，授权中国发明专利21项。主持中央科技委工程项目、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助、中国博士后科学基金面上项目等项目12项，参与国家自然科学基金重点项目和面上项目、国家重点研发项目等国家级项目9项。担任Research, Energy & Environmental Materials，Electron, Microstructures, Carbon Neutralization等期刊青年编委。
付慧，江南大学博士，山东理工大学材料学院讲师。主要从事纳米材料结构调控与能源转换研究，主持山东省自然科学基金青年C项目1项，以第一/共一作者在ACS Catal.、Chem. Eng. J.、Small等期刊发表SCI论文10余篇，获2025新域新质创新大赛优胜奖1项。
李震，天津大学博士，华东交通大学材料科学与工程学院副教授，多年来从事有机多孔材料功能化设计及在固态锂离子电池上的相关应用研究，主持国家自然科学基金/江西省自然科学基金等项目7项，以第一作者或通讯作者在Adv. Funct. Mater., Chem. Eng. J., Small, Carbon Energy, Macromolecules, Mater. Chem. Front., ACS Appl. Mater. Interfaces等高水平期刊上发表SCI论文30余篇，获授权国家发明专利3项。
冯奕钰，山东理工大学学术副校长，材料科学与工程学院教授、博士生导师。在面向极端环境的热管理材料及其工程应用研究中，取得了一系列重要成果。先后入选国家级科技创新领军人才计划（2022年）、国家级青年拔尖人才计划（2018年），获得天津市杰出青年科学基金（2019年），第五届天津青年科技奖（2019年）、第四届中国复合材料学会青年科学家奖（2020年）。在Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.等国际期刊上发表SCI收录论文200余篇，他引12000余次，H因子67，授权美国发明专利3项，GF专利2件，中国发明专利56件。先后获得2023年天津市自然科学一等奖、2020年教育部技术发明一等奖、2023年中国复合材料学会科学技术一等奖、2015年和2017年天津市技术发明一等奖和霍英东教育部青年教师奖。先后承担包括GF科技创新特区重点项目、GF科技基础加强重点项目、国家自然科学基金面上项目（3项）、装备预研教育部联合基金在内的20余项国家级项目。
封伟，天津大学二级教授，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴，任国防科技创新特区重点项目首席科学家、装备预研-教育部创新团队负责人、第七、八届教育部科技委学部委员、中国复合材料学会常务理事、导热复合材料分会首任会长等职，入选国家级科技创新领军人才等计划，主持国家杰出青年基金项目、国家科技部重点研发等项目50余项。在Chem. Soc. Rev.、Nat. Comm.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表学术论文300余篇，授权中国发明专利100余项，授权国际专利5项，任Thermal Functional Materials期刊副主编，入选全球前2%顶尖科学家榜单，“科睿唯安”全球高被引科学家。以第一获奖人身份获得教育部、天津市以及中国复合材料学会省部级一等奖5项。
