Advanced Functional Materials:定向构筑气凝胶用于界面光-蒸汽转换—设计原则、机遇与挑战

界面光-蒸汽转换是近年来兴起的新技术,以清洁的太阳能为能量来源,通过吸收体实现光热转换,并将能量局域在界面区域加热少量的水,获得较高的光-蒸汽转换效率。这一技术大大推动了太阳能海水淡化的发展,为人类提供了一种清洁、便携的水处理技术,有助于缓解全球范围的可饮用水资源短缺问题。在各类材料中,气凝胶是界面光-蒸汽转换最理想的吸收体之一,原因如下:(1)微观的粗糙表面和天然的多孔结构可降低光反射和增加光程,从而有效增强光吸收;(2)轻质(<0.5g cm-3),无需其他辅助材料即可自然漂浮在水面上;(3)多孔结构为气凝胶提供了极低的热导率,能将产生的热量有效地局域在水-空气的界面区域,降低体系的热量损失;(4)多孔结构和高孔隙率(>85%)还为水的传输和蒸汽的逃逸提供了丰富的通道。

近日,南京信息工程大学胡晓珍博士和南京大学朱嘉教授基于近期工作和已有文献报道,以“Tailoring Aerogels and Related 3D Macroporous Monoliths for Interfacial Solar Vapor Generation”为题,全面总结了气凝胶及其相关的三维多孔材料在界面光-蒸汽转换领域的最新研究进展。该综述概括了气凝胶用于界面光-蒸汽转换的天然优势和结构、组成的基本设计原则,介绍了气凝胶制备及其微纳结构的调控方法,阐述了孔结构增强光吸收和降低热导率的物理机制,并列举了不同成分气凝胶的孔结构、光吸收、热传输、亲水性等性质及其在光-蒸汽转换领域的性能。

文章最后讨论了气凝胶在基于高效光-蒸汽转换的水处理过程中所面临的机遇、挑战和未来可能的发展方向:(1)通过引入环境能量或降低水的蒸发焓可突破水蒸发速率的理论极限;(2)实际应用中,如何通过材料设计实现长程循环和良好的抗盐抗污性能具有重要的研究价值;(3)持续推进大规模应用,包括材料的大规模制备和降低成本方法的探索等。我们相信,通过不懈努力,在不久的将来,气凝胶基界面光-蒸汽技术将为世界范围的饮用水短缺问题提供解决方案,同时将在高效利用太阳能领域发挥重要作用。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201907234)。