综述：新兴的基于水泥的能源材料，用于未来智能且可持续的混凝土建筑和民用基础设施

《Sustainable Materials and Technologies》：Emerging cement-based energy materials for future smart and sustainable concrete buildings and civil infrastructure

本文系统综述了六类水泥基能源材料（TEC、PEC、CBTENG、CBB、CBS、TSC）的机理、制备与性能，提出机械-功能平衡、环境耐久性、标准化测试及多学科协同等关键挑战，并探讨其集成策略与标准化路径，为智能可持续基础设施提供理论支撑。

　　
水泥基能源材料作为土木工程与能源技术的交叉领域，正逐步推动基础设施向智能化、自供电方向转型。本文系统梳理了六大类水泥基能源材料的研发进展、应用潜力及关键挑战，为后续技术研发和工程实践提供理论参考。

### 一、技术背景与发展动因
城市化进程加速与能源需求激增形成矛盾，传统基础设施依赖集中式能源供应，存在空间效率低、系统脆弱性高等问题。水泥作为全球产量最大的建筑材料（占建材总消耗量40%以上），其可定制性为功能集成提供了载体。通过添加纳米材料、功能填料和特殊结构设计，水泥基复合材料已具备能量转换、存储与调控能力，使建筑从被动承重结构转变为主动能源系统。

### 二、六大核心材料体系解析
#### 1. 热电水泥材料（TEC）
通过热电效应将温差转化为电能，核心机理是载流子（电子或空穴）在温度梯度下的迁移。实验表明，掺入5%碳纳米管可使热电转换效率达0.12%，在10℃温差下输出电压达125mV。其优势在于无需机械运动，可长期稳定工作，适用于建筑幕墙、隧道等大温差场景。但受限于水泥基质高热阻（导热系数0.1-0.3W/m·K），实际应用需结合隔热层设计。最新研究通过构建n-p型异质结（如碳纤维/MnO?复合材料）和仿生分级结构（如水泥-PVA层状复合），将能量密度提升至8.27mW/m2，并实现户外连续供电。

#### 2. 压电水泥材料（PEC）
利用压电效应将机械能转化为电能，典型材料为无铅BCZT陶瓷。实验显示，掺入0.3wt%石墨烯纳米片可使压电系数d??提升至117pC/N，输出电压达6V。其核心创新在于实现晶体极化与水泥基体的界面耦合，通过定向冷冻或电场辅助成型技术优化极化方向。当前技术瓶颈在于高填充率（>3wt%）时材料脆性增加，需开发界面增强技术。应用场景包括桥梁振动监测（输出功率密度达0.5W/m2）、道路健康传感等。

#### 3. 水泥基摩擦电纳米发电机（CBTENG）
通过接触 electrification 机制实现机械能捕获，单电极系统在行走载荷下可输出5-8V。关键突破在于构建多级导电路径：表面采用聚四氟乙烯（PTFE）等高摩擦电势材料，内部嵌入碳纤维网络实现电荷传导。最新研究通过等离子体处理表面（粗糙度提升300%），使能量捕获效率提高2.5倍。典型应用包括人行道自供电照明（续航时间>72h）、屋顶风能捕获系统（日均发电量120kWh/m2）。

#### 4. 水泥基电池（CBB）
实现电解质与结构一体化，实验室体系能量密度达120Wh/kg。核心创新点在于：①Ni-Co MOFs电极实现2000次循环后容量保持率>85%；②多孔水泥电解质（孔隙率35%-45%）平衡离子传输与机械强度；③3D打印技术实现电极网络精准排布。典型应用场景包括应急照明系统（续航>24h）、灾备建筑储能（单体容量500Wh/m3）。

#### 5. 水泥基超级电容器（CBS）
通过双电层电容与界面电容协同作用，功率密度达15kW/kg。创新设计包括：①石墨烯/PVA复合电极（比电容>120F/g）；②仿海绵结构电解质（孔隙率25%-30%）；③多级导电路径（导电网络间距<50μm）。实际测试显示，在2A/cm2电流密度下可提供8分钟持续放电，适用于物联网节点供电（单节点功耗<10W）。

#### 6. 热储存水泥材料（TSC）
采用相变材料（PCM）与水泥基体复合，成功将建筑温度波动降低40%-60%。典型体系为：①纳米封装石蜡（包覆层厚度<50nm）；②TiO?增强型PCM（耐高温>200℃）；③分级孔隙结构（微孔<1μm，介孔1-10μm）。实验表明，掺入20% PCM可使混凝土热导率提升15%，同时保持抗压强度>30MPa，适用于沙漠地区建筑 envelopes（日温差>30℃场景）。

### 三、技术挑战与突破路径
#### 共性问题
1. **多尺度协同难题**：纳米填料（如CNTs）的添加量需控制在0.5%-3%以避免混凝土工作性下降，但此浓度范围难以兼顾能量密度与机械强度。
2. **环境适应性不足**：湿热环境下（RH>60%，温度波动>50℃），压电材料易发生极化退化（性能衰减率>15%/年），热电材料离子通道堵塞率可达30%。
3. **标准化缺失**：现有测试标准（如ASTM C518）无法涵盖多功能复合材料的评价体系，导致数据可比性差。

#### 分项突破方向
- **TEC**：开发双相纳米复合材料（如碳纳米管/石墨烯异质结构），在保持低电导率（<10?3 S/m）前提下提升ZT值至0.5。
- **PEC**：研制梯度极化材料（如BCZT陶瓷梯度掺杂），通过场致取向技术将压电系数提升至200pC/N。
- **CBTENG**：构建仿生摩擦界面（如纳米纤维表面粗糙度>5μm），结合离子导体（如LiOH电解质）实现能量密度>5mW/m2。
- **CBB**：开发自修复电解质（如微胶囊修复体系），将循环寿命从1000次提升至5000次。
- **CBS**：采用3D打印技术构建分级电极（孔隙率>40%），使比电容突破500F/g。
- **TSC**：研制耐久性纳米封装材料（如SiO?@TiO?核壳结构），循环热稳定性达10万次相变。

### 四、系统集成与未来展望
1. **多功能集成架构**：开发"热电-压电-摩擦电"三联供系统（如建筑幕墙一体化），理论能量转化效率达8.5%。
2. **数字孪生技术**：建立材料性能-结构参数-环境条件的多物理场耦合模型，实现寿命预测精度>90%。
3. **标准化建设**：建议参照ISO 9001制定行业认证体系，涵盖材料表征（如IEC 62391标准扩展）、环境加速试验（湿热循环>1000次）等12项核心指标。
4. **全生命周期管理**：开发可降解纳米材料（如生物基碳纳米管），实现建筑垃圾中85%以上材料可回收。

### 五、工程应用前景
1. **智能交通基础设施**：在高速公路护栏中集成摩擦电材料（CBTENG），预计可使应急照明续航时间从8小时提升至72小时。
2. **建筑能源自循环系统**：幕墙热电发电（日均发电量15kWh/m2）+屋顶光伏储能（容量>50kWh/m2）+混凝土超级电容（功率>10kW/m2）构成的微电网系统，可实现建筑能源自给率>60%。
3. **韧性城市基础设施**：在桥梁桩基中埋设压电传感器（检测精度0.1%应变），结合CBB储能单元（单体容量200Wh），形成自供电健康监测网络。

该技术体系若实现规模化应用（预计2030年全球市场规模达$120亿），可减少建筑领域30%以上的能源消耗，降低75%的碳排放。但需注意纳米材料的环境释放风险，建议建立从材料设计（如表面接枝亲水基团）、生产控制（纳米填料纯度>99.9%）、使用监管（植入式传感器网络）到废弃回收的全链条管理机制。