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三维多孔载体构筑高性能光-热-储一体化相变材料

丰宇豪 ,  林进杰 ,  王坤 ,  李洋 ,  唐兆第 ,  陈晓

化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (5) :789-808

PDF (13111KB)
化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (5) :789-808 DOI: 10.7536/PC20250809
综述与评论
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三维多孔载体构筑高性能光-热-储一体化相变材料

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Constructing High-Performance Photo-Thermal-Storage Integrated Phase Change Materials via 3D Porous Carriers

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摘要

光热转换与存储技术作为可再生能源利用的关键途径，近年来受到学术界和工业界的广泛关注。依托光-热-储一体化设计理念，三维复合相变材料（PCMs）通过将高导热、强吸光三维多孔载体与相变基质高效集成，实现了光热转换与相变储热的协同耦合，在太阳能驱动的热能存储与智能调控领域取得了重要突破。本文聚焦光-热-储一体化三维复合PCMs的最新研究，详细阐述了以气凝胶、碳泡沫、金属泡沫、膨胀石墨及金属有机框架为代表的三维多孔载体在PCMs中的创新设计策略，深入揭示了局域表面等离子体共振、非辐射弛豫及分子热振动等多机制协同增强光-热-储一体化效能的物理化学本质，全面归纳了该类材料在智能穿戴、生物医疗、建筑节能、海水淡化、极端环境防护等领域的代表性应用。最后，进一步探讨了当前面临的关键挑战和未来发展方向，旨在为光-热-储一体化复合PCMs的基础研究及跨学科应用提供有价值的理论指导和技术参考。

Abstract

As a key approach for renewable energy utilization， photothermal conversion technology has attracted extensive attention from academia and industry in recent years. Three-dimensional composite phase change materials （PCMs） based on the integrated design of photo-thermal-storage have achieved significant breakthroughs in solar-driven thermal energy storage and intelligent regulation by integrating high thermal conductivity， strong light-absorbing three-dimensional porous carriers with phase change matrices， realizing the synergistic coupling of photothermal conversion and phase change thermal storage. This review focuses on the latest research on photo-thermal-storage integrated three-dimensional composite PCMs， elaborates on the innovative design strategies of three-dimensional porous carriers represented by aerogels， carbon foams， metal foams， expanded graphite， and metal-organic frameworks in PCMs， deeply reveals the physicochemical essence of multiple mechanisms such as localized surface plasmon resonance， non-radiative relaxation， and molecular thermal vibration synergistically enhancing the photo-thermal-storage integrated performance， and comprehensively summarizes the representative applications of such materials in fields including smart wearables， biomedical therapy， building energy efficiency， seawater desalination， and extreme environment protection. Finally， the key challenges currently faced and future development directions are further discussed， aiming to provide valuable theoretical guidance and technical references for the basic research and interdisciplinary applications of photo-thermal-storage integrated composite PCMs.

Contents

1 Introduction

2 Photothermal conversion and storage mechanism of PCMs

2.1 Localized surface plasmon resonance effect of metals

2.2 Interband/intraband transitions and non-radiative relaxation of semiconductors

2.3 Intrinsic photothermal effect of molecular vibration

3 Photo-thermal-storage integrated 3D composite PCMs

3.1 Aerogels-based photo-thermal-storage integrated composite PCMs

3.2 Carbon foams-based photo-thermal-storage integrated composite PCMs

3.3 EG-based photo-thermal-storage integrated composite PCMs

3.4 Metal foams-based photo-thermal-storage integrated composite PCMs

3.5 MOFs-based photo-thermal-storage integrated composite PCMs

4 Advanced applications of photo-thermal-storage integrated 3D composite PCMs

4.1 Smart wearables

4.2 Biomedical therapy

4.3 Building energy efficiency

4.4 Seawater desalination

4.5 Extreme environment protection

5 Conclusion and prospect

Graphical abstract

关键词

相变材料 / 三维多孔载体 / 光热转换与存储 / 机理与应用

Key words

phase change materials / three-dimensional porous supports / photothermal conversion and storage / mechanisms and applications

引用本文

引用格式 ▾
丰宇豪, 林进杰, 王坤, 李洋, 唐兆第, 陈晓. 三维多孔载体构筑高性能光-热-储一体化相变材料[J]. 化学进展, 2026, 38(5): 789-808 DOI:10.7536/PC20250809
Yuhao Feng, Jinjie Lin, Kun Wang, Yang Li, Zhaodi Tang, Xiao Chen. Constructing High-Performance Photo-Thermal-Storage Integrated Phase Change Materials via 3D Porous Carriers[J]. Progress in Chemistry, 2026, 38(5): 789-808 DOI:10.7536/PC20250809

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1 引言

太阳辐射能作为地球生命活动与人类发展的核心驱动力，其高效利用对于可持续发展至关重要[1-2]。将入射光能转化为热能是实现太阳能利用的重要途径之一，其效率核心取决于材料的光捕获能力和光热转换效率[3]。然而，太阳能资源显著的时空分布不均性对稳定供能提出了严峻挑战[4]。在此背景下，高效热能存储技术，特别是基于相变材料（Phase change materials， PCMs）的潜热储能技术，因其高能量存储密度和近似恒温的热量输出特性，成为提升太阳能利用率和可靠性的关键解决方案[5-6]。

在各类储热介质中，有机PCMs（如石蜡、聚乙二醇、脂肪酸等）凭借较高的储能密度、宽泛的熔点选择范围、较低的相分离风险以及良好的循环稳定性等优势，在热能存储领域备受关注[7]。然而，这类PCMs在实际光热转换与存储系统中的应用仍面临显著挑战，主要受限于以下固有缺陷：其一，较低的本征热导率导致热量传递与释放速率不足；其二，较窄的太阳光谱吸收带宽及有限的光谱响应能力严重制约了光热转换效率的提升[8]。

为突破这些限制，研究人员将具有强光捕获和高导热性能的三维多孔载体材料与PCMs复合，构建出“光热转换-热能传递-相变存储”协同强化的三维复合PCMs体系。优选的三维多孔载体包括气凝胶、碳泡沫、金属泡沫、膨胀石墨、金属有机框架（MOFs）及其衍生物，这些材料不仅凭借高比表面积为PCMs提供稳定的封装，还通过构建高效导热路径促进热传递，从而全面提升复合PCMs的光热转换性能。三维复合PCMs基于等离子体局域加热、电子-空穴对非辐射弛豫及分子热振动等多重物理机制，结合材料与微结构优化设计，最终实现了光能向热能、再向相变潜热的高效转换与存储。

本综述聚焦于光-热-储一体化三维复合PCMs的最新研究进展，首先解析了其光能捕获、光热转换及热能存储协同联动的多尺度作用机制；在此基础上，深入探讨了基于不同三维多孔载体（气凝胶、碳泡沫、金属泡沫、膨胀石墨、MOFs及其衍生物）的光热PCMs的设计策略、结构-性能关联规律及其优化路径；进一步地，结合典型应用案例，全面梳理了该类材料在智能穿戴、生物医疗、建筑节能、海水淡化、极端环境防护等前沿领域的关键突破（图1）；最后，本文总结了光-热-储一体化三维复合PCMs当前面临的关键科学与技术挑战，并基于跨学科融合视角，对未来发展方向提出了前瞻性展望。

2 相变材料的光热转换与存储机理

光热转换是实现太阳能驱动热能存储的核心环节，其本质是光热填料吸收光子能量并将其有效转化为热能的过程。特定波长的光子被光热填料吸收后，会引发其内部电子的激发；随后，受激电子通过非辐射弛豫等方式返回基态，在此过程中将吸收的光子能量以热能形式释放[9-11]。不同光热填料的光热转换效率存在显著差异，这主要由其电子能带结构（如带隙大小、带边位置及缺陷态密度）对入射光辐射的响应特性决定，这些因素直接影响材料的吸光效率及能量弛豫路径[12-13]。

热能存储主要包括显热存储和潜热存储两种方式。显热存储通过存储介质热容量的变化（体现为温度升降）实现储热，其过程中不发生相变，常见介质包括固体、液体和气体[14]。相比之下，潜热存储利用PCMs发生相转变时吸收或释放大量潜热。潜热存储因其高能量密度的特性而具有显著优势，同时相变过程固有的近等温特性可有效优化传热过程。这一特性不仅有利于实现精确的温度控制，还能显著降低局部过热风险，从而提升系统的热管理性能[15-17]。在复合PCMs中，光热转换过程通过3种微观物理机制（等离子体局部加热效应、激发态电子-空穴对非辐射弛豫及分子热振动），为相变潜热存储提供了必需的热能输入[18]。

2.1 金属的局域表面等离子体共振效应

局部表面等离子体共振（LSPR）效应是亚波长尺度金属纳米结构中导带电子集体相干振荡引发的独特物理现象，将入射光局域于纳米空间，显著增强光与物质的相互作用[19-20]。当入射光子能量与LSPR模式共振时，金属中自由电子受激发与电磁场同相振荡形成等离激元，此过程伴随强烈的电磁场增强和高光吸收截面[21-22]。随后，等离子体激元快速衰变，通过朗道阻尼将能量转移至单个电子-空穴对[23-25]。这一过程迅速完成且无光子能量损失，产生的高能电子称为“热载流子”[23,26-27]。接着，热载流子经过电子-电子碰撞弛豫，将能量传递给低能电子，实现电子体系内部的热化。随后，再通过电子-声子散射将能量传递给金属晶格，导致晶格升温[28]。最终，金属结构内部积累的热能通过声子-声子碰撞释放到周围环境中，完成光能到热能的转换与传递[12]。

2.2 半导体的带间/带内跃迁及非辐射弛豫

除金属等离子体效应外，非等离子体半导体材料也可通过直接带间/带内电子跃迁产生光热效应。当入射光子能量大于或等于半导体带隙时，会激发产生电子-空穴对。激发态的能量可通过辐射复合（发光）或非辐射弛豫释放[29-30]。在非辐射弛豫过程中，能量通过载流子复合以声子（晶格振动量子）的形式释放，导致材料晶格温度升高。产生的热分布取决于半导体的光吸收特性及表面/体复合速率。主要的非辐射复合机制包括：Shockley-Read-Hall复合，即通过禁带中的缺陷态（陷阱）进行复合[31]；俄歇复合，即高载流子浓度下，一个电子和空穴复合时将其能量传递给另一个载流子（电子或空穴），该载流子随后通过发射声子弛豫[32]。这些非辐射复合过程最终将吸收的光能转化为热能。

2.3 分子振动的本征光热效应

碳基材料（如石墨烯、炭黑）和某些有机聚合物也表现出优异的光热转换性能，其产热主要源于分子振动弛豫。虽然高能的σ键（如C—C，C—O，C—H）的σ-σ*跃迁需要高能量光子，但在较低能量（如可见光、近红外）照射下，材料中的离域π电子可被激发，发生π-π*跃迁[13,33-34]。具体过程如下，满足能量条件的光子将π电子从基态（最高占据分子轨道，HOMO）激发至激发态（最低未占分子轨道，LUMO）；受激发的电子通过振动-电子耦合快速弛豫回基态（HOMO），多余的能量不以光子形式释放，而是转化为分子振动能（热能）[13,35]；此外，π轨道的共轭或超共轭效应可显著降低HOMO-LUMO能隙，使其更易被低能量光子激发，从而增强特定波段的光热转换效率[35-36]。

综上所述，光热转换与存储过程涉及两个关键步骤：首先，光热材料通过微观机制将吸收的光能转化为热能；随后，这些热能通过热传导作用被有效传递至PCMs中，诱导其发生相变，从而将热能以相变潜热的形式实现稳定存储。

3 光-热-储一体化三维复合相变材料

光-热-储一体化复合PCMs的构建核心在于相变基质与光热填料的有机集成，其整体效能主要取决于光收集能力和光热转换效率与相变储热密度[1,12]。为突破单一组分的性能瓶颈，当前的研究重点主要聚焦于光热单元的微纳结构精细调控以及载体材料的复合功能化设计。相较于传统的零维颗粒、一维纤维或二维片层分散体系，三维多孔骨架展现出独特的拓扑网络结构优势：首先，其超高的孔隙率与大比表面积为相变基质提供了充裕的封装空间，有效保障了复合材料的高负载率与高能量密度；其次，连续互穿的骨架网络构建了声子快速传输通道，显著克服了有机PCMs本征导热差的缺陷；最后，骨架表面丰富的活性位点为多功能修饰提供了平台，便于引入异质光热组分，通过多机制协同作用显著增强材料的光响应能力[37]。基于此，本章将围绕气凝胶、碳泡沫、膨胀石墨、金属泡沫和MOFs等5类典型三维多孔载体，系统阐述其在光-热-储一体化复合PCMs中的结构强化设计与最新应用进展。各类三维复合PCMs的关键热物理性质与光热转换性能汇总于表1。

3.1 气凝胶基光-热-储一体化复合相变材料

气凝胶凭借其连续的3D多孔网络结构、超高孔隙率、超大比表面积以及可调控的力学性能，被认为是封装PCMs的优选载体[38]。然而，由于多数气凝胶骨架本征的光热转换能力较弱，早期研究主要侧重于通过物理掺杂或化学接枝引入高吸光组分，以提升复合材料的光热响应性能。近年来，研究人员通过材料复合与结构创新策略，显著提升了气凝胶基复合PCMs的光热转换效率，同时实现了复合PCMs的多功能化发展，为新一代高性能太阳能热管理系统提供了重要解决方案。

在PCMs中集成高性能光热气凝胶填料是提升气凝胶基复合PCMs光热转换性能的有效途径。针对这一问题，通常的研究主要通过引入高光吸收组分来改善性能。例如，Zhang等[39]通过一步原位法合成了硅烷化细菌纤维素（BC）/羟基化碳纳米管（CNTs）/聚乙二醇（PEG）复合气凝胶。他们利用三甲基硅氧烷作为交联剂，与BC表面的活性羟基发生化学键合，实现了各组分的均匀分散，显著提升了复合材料的光热转换能力。类似的策略也被应用于石墨烯体系，Xi等[40]将三水合乙酸钠（SAT）封装在还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶中，构建了复合PCMs。利用rGO自身的宽光谱吸收特性，复合材料实现了86.3%的光热转换效率，同时保持252.8 J/g的高相变焓。为了进一步拓宽光谱响应范围，Du等[41]通过超声剥离黑磷纳米片，与纤维素纳米纤维（CNFs）构建3D互联多孔气凝胶，随后浸渍正十八烷。当黑磷含量提升至24%时，复合PCMs的光热转换效率高达87.6%。类似的，在Wang等[42]的MXene/纤维素气凝胶复合PCMs研究中，MXene作为高效的光子捕获器和分子加热器，能够将光能高效转换为热能（91.6%）。

然而，单纯的组分复合往往难以解决气凝胶内部热传导路径无序的问题，因此，调控骨架的几何取向成为提升性能的新方向。Ren等[43]设计了以CNFs为支撑骨架的石墨烯气凝胶复合PCMs。该研究基于定向冷冻技术，以CNFs作为天然生物质间隔物，有效抑制了石墨烯片层的堆叠。利用石墨烯骨架与形成的沟壑状结构协同作用，复合材料在100 mW/cm2太阳光照射下，600 s内温度升至76 ℃，光热转换效率高达91.0%（图2a）。相较于无序结构，光热填料的定向有序排列能更有效地提升光热转换与热管理效率。基于同样的有序化设计思路，Li等[44]以凹凸棒石负载的相变材料为核，表面包覆聚多巴胺（PDA），再与壳聚糖、氧化石墨烯（GO）和细菌纤维素通过化学交联和单向冷冻法组装成3D有序气凝胶。该3D有序结构不仅能促进热量均匀传递、有效降低热损失，还可与GO、PDA协同实现高效光吸收。在户外自然光照下，该气凝胶表面温度可快速升至60 ℃。将其应用于可穿戴设备时，该气凝胶可高效利用太阳能实现主动温度调节，在环境多变的场景下动态维持人体舒适体感温度（图2b）。

随着研究的深入，多级结构设计与新型光热转换机制的协同优化开始受到关注。Zhu等[45]采用定向冷冻-激光改性技术构建了具有纵向贯通孔结构的各向异性MXene气凝胶，并封装肉豆蔻酸（MA）。复合材料表面的纳米TiO2/无定形碳复合吸光层结合纵向贯通孔道对热量传递的加速作用，使其在实现93.5%光热转换效率的同时，仍保持192.4 J/g的高储能密度和0.45 W/（m·K）的热导率，光照下可以实现快速能量转换与传递（图3a）。Xu等[46]在壳聚糖/CNFs碳气凝胶中引入PDA以增强光热转换性能。复合PCMs通过PDA分子中的共轭和超共轭结构有效吸收光能，并通过电子跃迁高效转化为热能，将光热转换效率提升至94.9%。进一步地，Li等[47]受神经网络结构启发，在BC上原位生长ZIF-67并高温煅烧，构建了由 “体细胞”（Co/C多面体）、“轴突”（多孔CNFs）和热存储单元（石蜡，PW）组成的复合气凝胶。该设计巧妙利用了Co/C多面体的强LSPR效应和多孔CNFs构筑的增强光子传输路径，使复合PCMs实现了高达95.3%的光热转换效率。

随着气凝胶基复合PCMs光热转换与存储性能的突破，其研究重点逐渐向多场景应用方向拓展。Shi等[48]开发了基于碳化聚酰亚胺（PI）/Kevlar纳米纤维/GO@ZIF-67双向复合气凝胶的“五合一”多功能复合PCMs，集成了光热、电热、磁热、热电转换及电磁屏蔽功能（图3b），在太阳能利用、热电发电、户外除冰、人体热疗等领域展现出一定潜力。针对水资源问题，Zheng等[49]制备了MXene/PI/PEG杂化气凝胶，创新性地将光热转换用于驱动海水淡化。系统凭借MXene优异的导电性和强大的光捕获能力实现了高效的光热转换，直接驱动了海水淡化过程，同时将多余热量以潜热形式储存在PEG中，以维持无光照条件下的持续产水。此外，Luo等[50]受大气温度调节机制启发，设计了一种基于梯度rGO气凝胶的双层复合PCMs，实现了双向热调节。复合材料底部的强还原rGO气凝胶层光吸收能力强，负责光热转换与隔热；顶部的弱还原rGO气凝胶层部分浸渍十八烷，负责储热控温（图3c）。在-5 ℃寒冷环境中，复合材料借助光热产热、气凝胶隔热及PCMs释热，使模拟皮肤界面温度稳定在27 ℃；在40 ℃炎热环境中，PCMs的吸热缓冲作用结合气凝胶的隔热性能，可有效避免过热。

3.2 碳泡沫基光-热-储一体化复合相变材料

碳泡沫凭借其连续的3D网络结构、可调孔隙率及优异的声子传输特性，为PCMs构建了高效的光热载体平台。这种三维结构不仅为PCMs提供了良好的封装空间，其相互连通的碳骨架更构成了高效的热传导通路。此外，碳泡沫大的比表面积为光热纳米添加剂的修饰提供了大量位点，这为构建高效的光子捕获网络与热能传输系统提供了坚实的结构基础。

针对原始碳泡沫光吸收能力有限的问题，表面修饰是最直接的改性策略。通过在碳泡沫表面构筑光热活性纳米结构，可显著增强材料的光捕获能力和光热转换效率。Li等[51]采用PDA辅助的水相镀铜法，在碳泡沫（CF）表面原位生长Cu纳米颗粒，再通过真空浸渍封装十八醇（ODA），构建了CF/Cu/ODA复合光热系统。CF的3D多孔骨架与Cu纳米颗粒产生协同效应，显著增强了全光谱吸收能力，使光热转换效率提升至81.6%，热导率达3.17 W/（m·K）。与之类似，Zhou等[52]通过表面微结构设计，制备了表面修饰3D层级多孔碳的石墨碳泡沫，并作为硬脂酸（SA）载体骨架。石墨碳泡沫表面蓬松的多孔碳层在微观上形成“光陷阱”效应，有效延长了光程并抑制反射；结合石墨韧带的连续导热网络，在200 mW/cm2光照下，复合PCMs的光热转换效率高达90.14%。为了赋予材料更优异的力学适应性，Yang等[53]以CF为柔性基底、引入羟基氮化硼纳米片（HO-BNNS）作为导热填料、氧化铜（CuO）作为光热转换剂，使复合PCMs光热转换效率达91.8%。值得一提的是，该复合PCMs兼具柔性与热驱动形状记忆特性，为太阳能高效利用提供了创新方案。

考虑到传统合成碳泡沫成本较高，基于生物质前驱体的热解碳化法成为一种绿色、经济的替代路径。该方法不仅工艺简便、成本低廉，而且原料来源可再生，充分体现了可持续发展的材料设计理念。He等[54]受“果实生长”启发，以丝瓜海绵为 “核”、酚醛树脂为“果肉”，引入Fe3O4纳米颗粒调控孔结构，经高温碳化制得分级多孔碳泡沫，再真空浸渍PW形成复合PCMs（图4a）。得益于多孔碳泡沫高温碳化形成的富含π电子的石墨化结构（sp2杂化碳），该生物质碳骨架可高效吸收太阳能。在100 mW/cm2光照下，复合PCMs光热转换效率达84.0%，并通过互连网络加速热传导。在此基础上，Hu等[55]采用NaCl辅助碳化工艺制备了杏鲍菇衍生多孔碳，并浸渍PEG形成复合PCMs。这种高度石墨化的衍生多孔碳在全光谱波段吸收率高达95.1%，实现了光热能量的快速转换与存储。

随着应用需求的多样化，碳泡沫基复合PCMs正向多功能集成方向演进。Li等[56]开发了Co/N共掺杂碳泡沫基多功能复合PCMs，利用Co纳米颗粒的LSPR效应与碳泡沫骨架的全光谱吸收能力协同，结合快速光/声子传输特性，将光热转换效率提升至95.2%（图4b和c）。为了降低界面热阻，Chen等[57]通过整合三维CF、一维CNTs及零维Co纳米颗粒，构建了多维异质碳-金属互连网络。Co纳米颗粒的LSPR效应与光敏性CF/CNTs碳杂化物协同，实现了宽光谱高效光吸收。同时，这种碳-金属网络有效减少了声子散射，使复合PCMs的光热转换效率提升至97.1%，并实现了246.9 mV的光热电转换输出电压（100 mW/cm2，图4d）。在此基础上，Wu等[58]开发了一种集成光热电转换与海水淡化的高效相变系统，其核心由聚吡咯（PPy）/PEG掺杂CF构成的光热转换层驱动。该层不仅能高效捕获太阳能产生热量，还能定向将热能传递至热电发生器（TEG）的热端以实现发电。同时，TEG冷端的余热被单面疏水改性的CF冷却层捕获，直接用于驱动海水蒸发。PEG可储存热量，保障间歇光照下的持续供电。该策略实现了能量的高效梯级利用，提升了太阳能综合利用效率。

3.3 膨胀石墨基光-热-储一体化复合相变材料

膨胀石墨（EG）是由天然石墨经插层膨化形成的蠕虫状多孔材料。通过高温膨化，其比表面积与吸附能力得到显著提升，同时还保留了天然石墨原有的耐腐蚀性与自润滑性[59]。鉴于上述特性，EG常被用作构建光热 PCMs 的载体材料[60-61]。

作为单一载体时，EG的多孔结构与碳基质特性已被证实具有良好的性能。例如，Yang等[62]制备的月桂酸（LA）/EG复合PCMs，显示出对紫外-可见光的吸收能力随EG含量增加而持续增强。当EG含量为15%（质量分数）时，材料的光热转换效率高达95.0%，兼具10.55 W/（m·K）的高热导率与148.0 J/g的相变焓。针对更高的相变焓需求，Yan等[63]采用熔融浸渍法将赤藓糖醇负载于EG中，实现了高达95%（质量分数）的负载量。复合PCMs的导热系数提升至5.97 W/（m·K），同时具有290.5 J/g的超高熔融焓，并显著抑制了过冷现象。在100 mW/cm2光照下，材料的升温速率较纯赤藓糖醇提高了21.2%，印证了其优异的光热转换特性。为了进一步提升光热转换效率，Lei等[64]以EG为载体、正二十烷为稳定剂、SAT为相变储能核心，构建了一种有机-无机杂化多孔定型复合PCMs。该体系以EG为载体提供形状稳定性和导热通道，正二十烷作为稳定剂包覆 SAT 形成共晶结构以降低过冷度，最终实现各组分协同作用。结果表明，含3.3%（质量分数）EG的复合PCMs表现最优，其相变焓为266.5 J/g，过冷度仅2.2 ℃，且兼具91.1%的光热转换效率。

尽管EG具有良好的导热性，但单一EG载体在宽光谱吸收方面仍存在提升空间，因此研究者尝试将其与其他功能材料复合以实现性能协同。例如，Liu等[65]设计了一种PPy包覆EG基复合PCMs（PEG@EG/PPy）。利用PPy的共轭结构增强全光谱吸收，与EG协同形成高效双光子捕获体系，显著提升了光热转换能力（图5a）。除了有机聚合物，MOFs也被用于改性 EG。Ren等[66]则将Cu-Zn MOF与EG复合，经高温碳化制备了EG/Cu-ZnMC支撑材料（图5b）。在此过程中，Zn挥发形成的多孔结构提升了PEG吸附能力，而均匀分散于EG表面的Cu纳米颗粒则通过LSPR效应增强光吸收。当Cu-Zn比例适宜时，复合PCMs兼具6.10 W/（m·K）的高热导率和174.6 J/g的高相变焓，150 mW/cm2光照下的光热转换效率为88.7%。Dai等[67]通过热压共组装将EG封装的SA与高定向石墨烯薄膜（GF）结合。其中，EG提供多孔封装结构与基础导热路径，GF通过平行堆叠形成定向导热通道。得益于两者的协同作用，材料在热填料为12.6%（质量分数）时，热导率高达27.10 W/（m·K）。进一步的装置测试显示，该结构通过定向导热快速转移表面热量、减少散热损失，同时显著提升光热转换效率。最终，在100 mW/cm2光照下，系统实现了87.2 ℃的表面高温，且内部温度梯度趋近于零（图5c，d）。

3.4 金属泡沫基光-热-储一体化复合相变材料

金属泡沫（如铜、铝泡沫）兼具金属的高导热/电性能与多孔材料的低密度、高比表面积特征，已成为构建高导热光热PCMs的重要骨架材料[68-69]。其中，铜泡沫以其接近400 W/（m·K）的卓越热导率成为主流选择，但金属表面的高反射特性限制了其本征光热转换效率。因此，针对金属泡沫骨架的表面改性以增强光捕获能力，成为该领域的关键研究方向。

引入光热活性纳米结构是改善金属泡沫吸光性能的直接手段。例如，Yu等[70]通过掺杂Fe3O4纳米颗粒优化了铜金属泡沫/PW相变体系的光热转换性能。他们系统研究了纳米颗粒质量分数与金属泡沫孔隙密度（PPI）的影响。结果表明，当纳米颗粒质量分数为1.0%且PPI为15时体系的升温速率相对最快，温差增长率提升了24.82%。为了构建微观光捕获结构，Guo等[71]在铜泡沫表面原位生长Cu纳米线并嵌入鳞片石墨。修饰后的铜泡沫表面形成了纳米级粗糙结构与次级热导网络；Cu纳米线的LSPR效应与石墨的高吸光性协同，增强了光在孔隙内部的多次反射与吸收，从而提高了太阳能捕获能力。结果显示，该复合PCMs在100 mW/cm2光照下，稳定温度达72.2 ℃，热导率达4.10 W/（m·K），远优于纯PW及未修饰的PW/铜泡沫。在此基础上，该团队进一步利用MOF衍生的多壁碳纳米管（MWCNTs）网络修饰铜泡沫[72]。MWCNTs网络与铜泡沫的协同作用显著改善了材料的光吸收能力，在100 mW/cm2的光照强度下，复合PCMs表面温度可快速升至88.5 ℃，展现出优异的光热转换性能。同时，高达7.30 W/（m·K）的导热系数有助于光热转换产生热量的快速传递。

除了表面化学修饰，多级网络结构设计为复合PCMs性能优化提供了全新思路。例如，Guo等[73]开发了铜泡沫-膨胀石墨（Cu/EG）双连续网络结构（图5e）。其中，铜泡沫构成主热传导网络，EG在其孔道内形成次级连续网络。暴露在顶部的双网络结构充当高效光吸收器，通过多重反射与吸收增强太阳能捕获；而底部则确保热量能快速均匀地传递至PCMs。该复合PCMs在全光谱范围内的吸收率高达94%，结合其5.30 W/（m·K）的高热导率，实现了光热能量的有效转化与存储。类似的结构协同策略也被Duan等[74]采用，他们设计了一种基于PVA-石墨烯涂层的Cu（OH）2@Cu泡沫多级微纳结构，作为改性PW的支撑骨架。利用Cu（OH）2纳米线与PVA-还原石墨烯薄膜的协同作用，有效增强了光的多次反射与吸收。在120 mW/cm2光照下，其光热转换效率达到90.3%。

此外，自然界生物的特殊结构也为材料设计提供了参考。例如，​Huang等[75]受松针结构启发，在铜泡沫表面构建了松针状分级多孔支架。他们在铜泡沫上生长Cu-MOF纳米阵列，再封装PEG，形成复合PCMs。这种仿生分级结构能够增强光在材料内部的多重散射与捕获，使全光谱吸收率超过97%，并对不同入射光角度展现出良好的适应性（图5f）。同时，铜泡沫骨架与松针状分级结构协同构建了高效热传导网络，热导率达2.35 W/（m·K），保障了光热转换产生的热量得以快速传递，最终测得光热转换效率为96.9%。

3.5 金属有机骨架基光-热-储一体化复合相变材料

金属有机骨架（MOFs）凭借其高度可调的孔隙结构、超高比表面积及有机-无机杂化特性，成为封装PCMs的新型多孔载体[76]。由于绝大多数原始MOFs材料在可见-近红外波段的光子捕获截面较小，其直接光热转换效率往往难以满足实际应用需求。针对这一本征缺陷，目前的研究策略主要集中在构建复合光热体系与开发高温衍生功能材料两个方向。

引入高吸光组分进行表面修饰或孔道填充，是改善MOFs基PCMs光热转换性能的直接手段。例如，Liu等[77]用水热法合成Cr-MIL-101-NH2封装ODA，并通过原位聚合在MOFs表面包覆PPy层（图6a）。该设计利用MOFs的纳米孔域限制效应防止PCMs泄露，同时借助PPy的共轭分子结构实现宽带光吸收。实验结果表明，PPy不仅凭借共轭分子结构实现全光谱区域宽带光吸收，还构建了声子传输网络。在150 mW/cm2光照下，复合PCMs光热转换效率随PPy含量增加而提升，含6% PPy时达88.3%。此外，为进一步提升MOFs基复合PCMs的光热转换特性，与之不同的是，Xiao等[78]则致力于挖掘MOFs金属节点的本征光热潜力。他们在EG上原位生长ZIF-67，构建了分级层状复合结构。凭借高比表面积和孔体积，3D大孔层状MOF/EG复合材料显著提升了PW负载能力与形状稳定性。该研究发现，ZIF-67中的四面体Co2+离子通过d-d跃迁直接吸收光能，并经由电子-空穴对的非辐射弛豫产热。这种利用金属节点本征特性的策略，避免了额外光热试剂的引入，使复合PCMs在保持159.2 J/g高相变焓的同时，实现了95.6%的光热转换效率。

除了直接复合，利用高温热解重构MOFs拓扑结构，制备碳基衍生物，是获得高稳定性、高导热光热载体的另一重要路径。高温碳化过程可将有机配体转化为高导电碳骨架，同时将金属节点原位还原为具有等离子体效应的纳米颗粒。例如，Chang等[79]将HKUST-1高温碳化，制备负载CuO纳米颗粒的分级多孔碳骨架，并用作棕榈酸（PA）的光热载体（图6b）。得益于CuO纳米颗粒的LSPR效应与碳骨架共轭电子系统的协同作用，该复合材料表现出显著的全光谱吸收增强，在300 mW/cm2光照下光热转换效率达到81.8%。在此基础上，为了赋予材料更丰富的场响应特性，Tang等[80]以ZIF-67@ZIF-8为前驱体，制备了Co/N共掺杂的磁性碳纳米笼，构建了可快速充放电的光热转换系统（图6c）。该结构不仅利用Co纳米颗粒与碳基质的协同吸光实现90.7%的光热转换效率，更引入了磁场辅助增强机制——在磁场作用下，磁性纳米笼可加速热量向内部PEG传递，将表观光热转换效率提升至115.8%。值得注意的是，该系统与热电模块集成后，可同步输出290 mV电压与92.6 mA电流，实现了光-热-电的梯级能量转换，为太阳能高效利用提供了新方案。进一步地，该团队通过调控前驱体生长，在CNTs上构建ZnCo-MOFs并进行煅烧，获得了Co纳米颗粒修饰的1D/3D紧密异质碳网络[81]。这种异质结构有效降低了界面热阻并优化了光子捕获路径，使复合PCMs的光热转换效率提升至98.1%。

当前的MOFs基复合PCMs研究正逐步从单一的光热转换向多物理场协同响应方向演进。例如，Li等[82]利用空间限域生长技术，在碳化三聚氰胺泡沫骨架上构建了Co纳米颗粒锚定的3D互联森林状阵列碳网络。封装PEG后，该复合体系集成了光、电、磁3种刺激响应模式：在100 mW/cm2光照下光热转换效率达93.1%，在2.5 V电压下电热转换效率为92.9%，且具备良好的磁热响应，证实了其在多模态人体热疗领域的应用潜力。为了拓展电磁波段的响应能力，该团队进一步通过热解NiCo-MOF制备磁性NiCo修饰的开放碳微笼，实现了光/磁/微波多场响应（图6d）[83]。NiCo纳米颗粒的引入不仅通过LSPR效应增强了光吸收，还通过Néel和布朗弛豫效应实现了高效磁热转换。更重要的是，该复合材料凭借优化的阻抗匹配特性，表现出优异的微波吸收性能（最小反射损耗-38.1 dB），展示了其在复杂电磁环境下实现智能热管理与隐身兼容的可能性。

4 光-热-储一体化三维复合相变材料的先进应用

光热PCMs能够高效吸收太阳能并将其转化为热能，驱动材料发生可逆的相变过程，从而实现对热能的存储与按需释放。近年来，光-热-储一体化三维复合PCMs在智能穿戴、生物医疗、建筑节能、海水淡化以及极端环境防护等前沿领域展现出良好的应用潜力，推动了跨学科技术融合与功能升级。

4.1 智能穿戴

集成PCMs的智能可穿戴设备能够依据环境温度自动调节人体微气候温度，不仅提升了穿戴者的热舒适性体验，更为实现精准化、个性化的温度管理开辟了新途径。在此背景下，具有光响应特性的智能可穿戴设备因其独特的光热转换能力和环境自适应特性，正迅速成为新一代智能可穿戴系统的研究热点。例如，Bai等[111]设计了定向结构的壳聚糖/碳纤维粉末气凝胶作为PW的支撑载体，用于太阳能驱动热管理。由于定向孔隙结构设计，该复合PCMs展现出优异的导热性能和太阳能热转换能力。基于此材料开发的人体热敷包，经太阳能充电至50 ℃后应用于人体手臂时，其接触皮肤侧温度可维持在40 ℃左右的舒适区间，即使停止光照后1795 s仍能维持治疗温度，满足了人体日常热敷时长需求。

为突破传统相变材料在可穿戴应用中的功能单一性与机械性能限制，Zhang等[112]开发了一种重力辅助双凝胶法制备的可编织相变纤维。该研究以BC为基体，构建了柔性硅烷化BC/羟基化CNTs气凝胶纤维。经正二十烷负载后，气凝胶纤维展现出优异的综合性能：相变焓达105.0 J/g，同时保持23.9 MPa的拉伸强度和8.7 MJ/m3的韧性，兼具良好的可编织性和疏水特性。此外，该纺织品能通过光热转换将人体皮肤温度维持在舒适的38.9 ℃，实现了在无外接能源的户外环境中长效保暖（图7a）。在此基础上，Wang等[113]通过盐模板辅助与浸涂法制备了一种高柔性相变薄膜。该薄膜以正二十烷作为相变基质，相变焓达109.5~117.8 J/g，相变温度约36 ℃，与人体热舒适区间高度匹配。乙烯基二甲基硅氧烷与氢硅油形成的3D互连聚硅氧烷网络，赋予薄膜出色的柔性、拉伸性和形状适应性，可紧密贴合人体各复杂部位。通过引入MWCNTs构建了高效光热转换网络，光热转换效率达92.3%，实现了材料的太阳能驱动热管理功能。更具创新性的是，该相变薄膜还兼具应变传感功能，其应变敏感系数达46.3，可实时监测手指、手腕、肘部、膝盖等关节弯曲，以及面部表情、声带振动等细微动作，且响应快速稳定。这种集“热管理”与“运动监测”功能于一体的设计，为下一代智能可穿戴设备开发提供了新思路。

4.2 生物医疗

相变材料凭借其独特的相变储/放热特性，在生物医疗领域展现出广阔的应用前景。特别是光-热-储一体化复合PCMs，不仅能通过相变过程维持环境温度稳定，还可借助光刺激实现可控热管理，为精准医疗提供创新解决方案。

在热疗应用方面，研究人员开发了多种功能化PCMs。例如，Li等[82]设计的3D类森林碳异质结构复合PCMs，实现了光热/电热/磁热多模式转换，其作为相变膜应用于人体热疗时，可满足40~50 ℃的中等级热疗需求。为突破单一热疗功能的局限，Li等[114]开发出兼具优异光热转换和应变传感能力的多功能无机-有机相变水凝胶。借助EG与石墨烯的高光吸收及导热特性，相变水凝胶能吸收并储存光能，通过相变缓慢释放热量，使关节温度稳定在50 ℃左右长达700 s，有效防止了理疗灯直接照射造成的灼伤。同时，其优异的应变传感功能可实时监测关节活动，实现了热疗与康复监测的一体化，为个性化医疗提供了创新解决方案。

在药物控释领域，PCMs同样展现出独特的优势。例如，Liu等[115]开发了一种具有Janus结构的智能纳米纤维敷料。该敷料采用独特的核壳设计，以亲水性PCL@PDA-ε-PL纳米纤维膜为基底，沉积含有月桂酸（LA）和布洛芬的同轴纳米纤维。该结构创新性地实现了双重控释机制：一方面通过LA的相变过程调控药物释放速率，另一方面借助PDA的近红外光热效应实现按需释药。实验表明，在近红外光照射下，PDA产生的光热效应可精确触发LA相变，从而智能调控布洛芬的释放动力学。更进一步地，Chen等[116]将相变材料LA与抗肿瘤药物盐酸多柔比星（DOX）、热敏剂阿朴托唑（Az）有机结合，设计了一种基于聚丙烯腈/ZIF-8衍生的中空碳纤维支架的联合治疗系统（图7b）。在近红外激光调控下，LA的可逆相变不仅能够将治疗温度精准控制在安全范围内，还能同步调控药物释放：DOX直接作用于肿瘤细胞发挥化疗作用，而Az通过抑制热休克蛋白70的表达，显著增强肿瘤细胞对温和热疗的敏感性。这种光热-化疗协同策略在动物实验中展现出优异的抗肿瘤效果，同时最大程度降低了对正常组织的损伤，为癌症联合治疗提供了创新思路。

4.3 建筑节能

随着全球建筑能耗的持续增长，提升建筑能效已成为可持续发展的重要课题。PCMs因其优异的热能储存能力和温度调控特性，为建筑节能提供了创新解决方案[117-118]。将PCMs集成于建筑围护结构（如墙体、屋顶）中，可显著提升其热惯性：白天吸收并储存多余热量，夜间释放储存的热能，从而缩小室内温度波动范围，显著降低暖通空调系统能耗。光-热-储一体化复合PCMs通过集成光热转换与相变储热功能，实现了更智能的建筑热管理。

在实际应用中，研究人员专注于提升复合材料的热缓冲性能和环境适应性。例如，Chen等[119]将PW微胶囊化于壳聚糖-羧甲基纤维素复合壁材内，并嵌入石膏基质，所得复合材料的热缓冲性能远优于传统石膏基材。进一步，Zhang等[120]设计的层状纤维素/PEG/Fe3O4复合PCMs显著提升了热导率与光热转换效率。经过疏水氟碳树脂表面改性后，该材料表现出优异的疏水性能（接触角137.1°），同时具备自清洁特性。在模型房屋测试中，该复合材料通过光热转换-储热-放热的协同工作机制，成功将室内温度波动范围控制在32~38 ℃的舒适区间。针对农业温室的特殊需求，Hao等[121]开发了一种专为智能温室设计的定型复合PCMs。通过钙交联海藻酸钠构建3D多孔网络结构并引入EG，复合材料获得了良好的光热转换性能，在120 mW/cm2光照强度下可实现73.8%的光热转换效率。实际温室应用表明，复合PCMs能将作物最适生长温度区间（25~35 ℃）的持续时间延长100%，为现代设施农业提供了一种高效节能的温度调控解决方案。

近年来，系统集成和多模态调温的智能控温型光热相变系统取得了重要突破。例如，He等[122]开发的被动式温控房屋采用双模块设计：屋顶集成高效光热转换相变板与室内低过冷度水合盐相变散热器。该系统通过智能调节相变板受光面积及散热器布置，在秋冬季节可全天维持18 ℃以上的舒适温度，夜间保温时间延长近2 h，即使在-16.3 ℃的极端低温环境下，室内有效保温时长也远高于常规系统。针对建筑全年冷热调控需求，Wang等[123]开发的双功能相变复合膜通过整合辐射冷却涂层与负载PCMs的光热转换层，实现了全天冷能的收集、存储与利用（图7c）。该复合膜上层为成本效益较高的辐射冷却涂层（PMMA/BaSO4，太阳能反射率≈0.94，大气透明窗口发射率≈0.96），下层为高导热复合PCMs，可储存夜间辐射冷却层产生的多余冷能，以补偿白天冷能不足。通过简单翻转复合膜上下表面，还可利用相变复合膜进行太阳能光热存储，进而实现冬季空间供暖的能量调节。

4.4 海水淡化

面对淡水资源短缺与能源转型的双重挑战，太阳能驱动海水淡化技术凭借清洁、可持续的特点成为研究焦点[124]。然而，传统光热蒸发技术面临着太阳辐射间歇性和热能利用率低等关键挑战。光-热-储一体化复合PCMs通过构建“光热转换-潜热存储-持续供能”的闭环系统，显著提升了蒸发过程的稳定性，推动了该技术向高效持续、多能联产方向发展。

相变材料的创新应用为可持续海水淡化技术开辟了新路径。例如，Zheng等[49]开发的PI/MXene杂化气凝胶/PEG复合PCMs，利用MXene优异的全光谱吸收特性与PI气凝胶的多孔结构相结合，在太阳能驱动蒸发系统中展现出显著优势。实验表明，该复合PCMs在100 mW/cm2光照下可实现50.6%的海水蒸发效率。关键在于，在无光照条件下，材料中PEG相变组分释放的潜热仍可维持蒸发过程，提升了持续产水能力。经过长期循环测试，材料保持稳定的蒸发性能，且产水水质符合WHO规定的饮用水标准。

近年来，多功能集成型光热PCMs在海水淡化-热电联产领域展现出重要研究价值。Tang等[125]仿生制备了氨基凹凸棒石/石墨烯杂化气凝胶，并封装LA。基于其优异的光热转换和储热性能，他们设计了由复合PCMs与吸水棉组成的界面蒸发器，同时应用于太阳能驱动脱盐和热电发电。该蒸发器在100 mW/cm2照射下，海水蒸发率达2.13 kg/（m2·h）；黑暗中，因PCMs释放潜热仍保持1.21 kg/（m2·h）的蒸发率，且淡化水中金属离子浓度大幅降低，符合WHO标准。在热电发电方面，集成复合PCMs的太阳能热电发电机在100 mW/cm2下实现了1.57 W/m2的功率密度，并可通过释放潜热延缓黑暗中热端温度下降，驱动小型电子设备运行（图8a）。

为追求高输出、一体化的水电联产系统，Li等[126]开发了一种分层结构的3D太阳能蒸发器。该蒸发器将PW与覆盖碳黑纳米颗粒改性PET织物的圆形凹形3D支架结合，缓解了间歇性光照下的性能局限。其中，3D打印支架可捕获阳光以提高吸收效率，经亲水与疏水改性的PET织物可充分吸收阳光，用于同步进行发电和水蒸发，在自然光照下实现3.51 V的高输出电压和4.00 kg/（m2·h）的高蒸发率。与无PCMs的同类设备相比，该蒸发器的电容器充电时间显著缩短了57.9%，同时淡水产量提升了29.9%（图8b）。这一创新设计展现出优异的双重功能集成能力，为实现同步发电与淡水供应提供了重要的解决方案。

4.5 极端环境防护

极端天气下的冰雪堆积对电力网络、船舶、飞机及通信塔等设备造成了严重安全问题。传统除冰技术如手动除冰、化学除冰剂及电加热等，存在环境污染、高能耗等问题，难以满足极地、航空等场景的可持续发展需求[127]。光-热-储一体化复合PCMs可将太阳能转化为可控热能，并借助相变储能实现持续防护，为提高除冰效率与可持续性提供了新思路。例如，Sheng等[128]受高山植物热能存储机制启发，开发出EG/PW/聚二甲基硅氧烷复合材料，实现了光热连续除冰。在-40 ℃、100 mW/cm2光照条件下，该复合PCMs使液滴冻结延迟超2 h，远长于无PCMs的表面。在实际环境中，其除冰速率最高达2.21 kg/（m2·h），可在不同城市的低温环境中持续发挥防冰/除冰作用。为实现进一步突破，Zhu等[129]合成了新型3D多孔石墨烯支架并封装MA。其中，GO经激光作用还原为rGO，作为热桥连接相邻激光诱导石墨烯，形成沟壑状表面和3D重叠网络结构。其沟壑状表面不仅能增强光吸收以延缓界面水层冻结，还能降低冰附着力。因此，该复合PCMs具有94.1%的高光热转换效率和135°的疏水性；在100 mW/cm2光照下，覆盖的0.5 mL冰块可在5 min内融化，为太阳能驱动的高效防冰技术提供了可行方案（图8c）。

随着多光谱探测技术的发展，可见光与红外的协同监测对传统伪装材料提出了严峻挑战。光-热-储一体化复合PCMs可通过光热效应动态调控目标表面温度，实现环境自适应伪装。例如，Tang等[130]设计了可逆吸光特性的双层3D混合支架：上层为含热致变色颗粒的黑色BC层，下层为含氮化硼（BN）的白色BC层，整体浸渍PEG。借助热致变色颗粒的可逆变色特性，低温时呈黑色高效吸收太阳光并转化为热能；温度升至PEG相变点时转为白色，减弱光吸收以避免温度持续攀升，从而将温度稳定在相变点附近。Li等[131]设计的三层结构MXene/rGO杂化气凝胶复合材料，通过集成正十八烷和热致变色涂层，实现了可见光与红外线的双重伪装。利用气凝胶的隔热性与PCMs的储热性协同作用，可将目标与环境的温差降至0.9℃，使人体或设备完全融入红外背景，有效干扰目标探测。此外，顶部热致变色涂层在太阳光照射下从绿色变为黄色，能匹配丛林到沙漠的环境颜色，且底部PCMs可避免目标过热，实现高效可见光伪装。该复合材料可在昼夜、丛林和沙漠等复杂场景同步实现双重伪装，有效应对多波段监测。

5 结论与展望

本综述系统梳理了光-热-储一体化三维复合PCMs的最新研究进展。核心策略在于利用三维多孔载体（包括气凝胶、碳泡沫、金属泡沫、膨胀石墨、MOFs及其衍生物等）解决传统有机PCMs光吸收弱、导热差和易泄漏的缺陷，显著提升了复合PCMs的光热转换效率、热能存储密度和热管理性能。研究表明，三维骨架不仅构建了高效的导热网络，降低了界面热阻，其独特的微纳结构还显著增强了光吸收能力，并协同多种光热转换机制（如等离子体共振、非辐射弛豫、分子热振动等），使复合PCMs的光热转换效率屡创新高。这类材料在智能穿戴、生物医疗、建筑节能、海水淡化以及极端环境防护等多个领域展现出广阔的应用前景。

综合对比各类载体，其性能优势与局限性呈现出明显的差异化特征。气凝胶凭借其超高的孔隙率和比表面积，提供了优异的相变材料负载空间和防泄漏能力，且密度极低，适用于对重量敏感的可穿戴设备。然而，其本征低热导率限制了热量的快速充放，通常需要引入高导热填料构建导热通路。金属泡沫展现出优异的机械强度和热导率，能显著提升系统的热响应速度。但其密度较大、易腐蚀且本身光吸收能力较弱，往往依赖表面修饰光热涂层。碳基材料（膨胀石墨、碳泡沫）实现了热导率、化学稳定性与成本的良好平衡。特别是膨胀石墨，因其低成本和优异的抗腐蚀性，在大规模工业应用中极具潜力。MOFs及其衍生物则因其原子级可调的孔结构和丰富的功能位点，在精密控温和多功能集成方面表现突出。尽管目前制备成本较高，但通过高温碳化衍生的MOF基碳骨架结合了MOF的多孔性和碳材料的高导热性，被认为是下一代高性能光热载体的有力竞争者。

尽管光-热-储一体化三维复合PCMs的光热转换效率目前普遍已突破90%，但要实现从“实验室样品”到“工程化产品”的跨越，未来的研究重心应从单纯追求效率转向以下具体的关键技术突破。

（1）传统试错法的研发效率较低，需引入AI技术搭建新型研发体系：可整合现有材料的成分、结构与性能数据，建立标准化数据库；借助适配的机器学习模型实现材料关键特性预测与新型结构设计；基于模型结果优先开展实验验证，开发兼具性能优势、低成本、低毒性、环境友好、长循环寿命与可回收特性的新型光热材料，推动材料体系的创新。

（2）现有研究多聚焦于光-热-储一体化复合PCMs的宏观性能表征，对体系内部“光吸收-能量转换-热传递-相变存储”全链条的微观机制探究尚不够深入。后续需强化多尺度理论模型的构建，明确复合体系中热传递动力学、固液相变行为与光热转换机制的耦合规律，尤其是界面效应对能量转换效率的影响机制；同时结合先进表征技术，为理论模型的验证与优化提供实验依据。

（3）单一功能已难以满足复杂的实际需求，未来可将复合PCMs开发为多功能器件的核心组件：如海水淡化中集成热电发生器实现水电联产；在建筑领域中实现辐射制冷与光热储能功能的双模态动态调温。针对不同应用场景的特性需求，建立材料“性能-结构-组分”的精准设计原则，如可穿戴设备满足柔性与轻量化要求，建筑材料兼顾低成本与防火等级，海水淡化系统耐盐腐蚀与环境安全等。

（4）需打破实验室材料研究的局限，推动光-热-储一体化三维复合PCMs向功能器件与系统集成方向转化，开发适配实际需求的一体化应用系统；同时建立统一的关键性能测试标准，为材料性能评价与产业应用提供规范依据，助力技术从研发阶段向工程化应用过渡。

（5）材料的长期可靠性与环境适应性是其大规模应用的必要前提，需建立覆盖原材料获取、制备加工、使用维护至回收再生的全生命周期评估体系。在各环节关注资源利用效率、能耗控制与环境影响，提升材料在复杂工况（如间歇性日照、极端温湿度、机械应力等）下的长期可靠性与环境适应性，同时探索可行的回收再生路径，保障材料应用的可持续性。

展望未来，通过多学科交叉创新和产学研协同，随着材料设计理论、制备工艺和应用技术的持续突破，光-热-储一体化三维复合PCMs有望在构建“双碳”目标下的新型能源体系中发挥关键作用，推动太阳能的高效转化与智能利用。建议重点布局材料基因工程、智能制备技术、数字孪生优化等前沿方向，加速实现从基础研究到产业应用的跨越，为全球能源转型提供重要的材料支撑和技术保障。

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