文獻前沿| Adv. Fun. Mater. 調控多尺度孔隙二氧化硅氣凝膠輻射特性實現高效太陽能界面蒸發(fā)

在太陽能界面蒸發(fā)器熱管理需求日益增加的背景下，針對透明二氧化硅氣凝膠蓋板因內部納米顆粒團聚導致的強散射、高霧度及可見光透射率受限等問題，研究人員建立了一套耦合微觀有限元電動力學與宏觀輻射傳輸方程的多尺度數值模擬及實驗框架，通過精準調控溶膠-凝膠工藝參數來優(yōu)化氣凝膠的微觀形貌，成功降低了散射中心半徑并抑制了多重散射，實現了具有超高太陽光譜透射率與低霧度的溫室選擇性蓋板設計，顯著提升了多級太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)的淡水產量與能量利用效率。相關工作以Tuning Radiative Properties of Multiscale Porous Transparent Silica Aerogels for Efficient Solar Interfacial Evaporation為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊。

針對多級太陽能界面蒸發(fā)（MSIE）中蓋板熱損耗與透光率的矛盾，文章提出了構建高透光、低霧度二氧化硅氣凝膠的設計理念。研究者建立了一套多尺度數值框架，揭示了微觀形貌對輻射特性的影響邏輯，指出在波長小于500 nm的短波段，光散射主要受納米顆粒形貌主導，而紅外波段的消光則受成分中吸附水的限制（圖1）。實驗通過精準調控溶膠-凝膠動力學，將氣凝膠的平均散射中心半徑從4.9 nm縮減至3.1 nm，并結合顯微成像與小角X射線散射技術驗證了這種鏈狀團聚體的微觀結構（圖2）。基于輻射傳輸方程模擬得到的宏觀性能圖譜顯示，當平均顆粒半徑小于 4 nm 且塊體密度低于200 kg·m-3時，5 mm厚的樣品可實現大于95%的透光率和小于5%的霧度（圖3,圖4）。隨后，研究通過設計圖譜深入探討了顆粒半徑、體密度及不對稱因子對光學指標的調控規(guī)律，明確了高透光與低霧度主要取決于散射系數的最小化，這為材料合成提供了量化的指導準則（圖5）。最后，將優(yōu)化后的氣凝膠作為蓋板集成至 10 級蒸發(fā)裝置，其太陽光譜加權透射率達95.2%，使單位面積產水率從 5.22 提升至 6.23kg·m-2·h-1，實現了19.3%的性能增益（圖6）。

圖1多尺度展示二氧化硅氣凝膠以增強太陽能熱利用性能。(a)二氧化硅氣凝膠在太陽能熱利用中所需的性能：對吸收器具有高太陽透過率，同時通過延長固體熱傳導路徑、抑制納米孔網絡中的氣體對流以及吸收熱輻射來提供強隔熱效果。(b)二氧化硅氣凝膠中所涉及的多尺度輻射特性的示意圖。(c-f)在二氧化硅氣凝膠中建模的四種代表性二氧化硅納米顆粒團聚體形態(tài)：均勻分布的c)初級球體，d)等效體積球體，e)鏈狀團聚體，以及f)密實團聚體。

圖2二氧化硅氣凝膠的微觀結構表征。(a) 5.5 mm厚的二氧化硅氣凝膠單體的光學照片，可清晰透視下方文字，展現高透明度。(b)高分辨掃描電鏡（SEM）圖像，顯示均勻分布的納米多孔網絡，無微米級結構。(c)高分辨高角環(huán)形暗場（HAADF）透射電鏡（TEM）圖像，揭示離散的初級二氧化硅顆粒。(d)由多張TEM圖像統(tǒng)計得到的初級顆粒粒徑分布，平均半徑約0.67 nm。(e)探針校正TEM下的能量色散X射線光譜（EDS）元素分布圖，表明硅和氧均勻分布。(f)高分辨TEM圖像，展示兩種典型的納米顆粒聚集形態(tài)：密實團聚體與鏈狀團聚體。(g-p)由不同半徑和數量的原生顆粒構成的鏈狀及致密型團聚體形態(tài)模擬圖。

圖3.四種二氧化硅納米顆粒團聚體形態(tài)在不同波長下的散射與吸收特性。(a)散射效率Qsca(b, c)吸收效率Qabs(d)散射系數ksca以及(e, f)吸收系數kabs隨波長的變化關系（固定原生顆粒半徑，改變團聚體中的顆粒數量）。(g) Qsca、(h, i) Qabs、(j) ksca以及kabs隨波長的變化關系（固定顆粒數量，改變原生顆粒半徑）。

圖4透明二氧化硅氣凝膠平板的半球光學特性預測。(a)輻射傳輸穿過氣凝膠平板的示意圖。(b)總透射率Ttotal、(c)彌散透射率Tdiffuse和(d)霧度H隨波長的變化關系（改變顆粒數量）。(e) Ttotal、(f) Tdiffuse和(g)H隨波長的變化關系（改變顆粒半徑）。

圖5調節(jié)體相二氧化硅氣凝膠總透射率與霧度的策略。(a-c)通過優(yōu)化a)平均顆粒半徑、b)塊體密度和c)不對稱因子g來調節(jié)宏觀光學特性。(d)Ttotal和(e)H作為平均顆粒半徑與密度的函數，展示小尺寸與低密度可同時實現高透射與低霧度。(f) Ttotal和(g)H作為散射系數ksca與不對稱因子g的函數。

圖6優(yōu)化與未優(yōu)化的二氧化硅氣凝膠在太陽能界面蒸發(fā)中的應用。(a)集成了不同透射率氣凝膠蓋板的多級太陽能界面蒸發(fā)裝置示意圖。(b, c)優(yōu)化與未優(yōu)化氣凝膠的光譜透射率與霧度對比。(d)兩種樣品的散射中心直徑分布及外觀清晰度對比。(e-g)蒸發(fā)實驗中的溫度響應、質量變化、蒸發(fā)速率、效率及能量分配分析。(h)本文與文獻中各類蓋板材料蒸發(fā)速率的性能對比。

小結：區(qū)別于傳統(tǒng)僅關注蒸發(fā)器吸收層或水輸運結構的研究，該研究重點轉向透明保溫蓋板的光學調控。文章針對多級太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)中蓋板透光率與熱損失之間的權衡難題，提出了一種基于多尺度調控策略的高透明、低霧度二氧化硅氣凝膠。該研究以理論模型解析氣凝膠結構與光學性能的關系，并通過實驗制備和蒸發(fā)器測試驗證了結構優(yōu)化對產水性能的提升作用，為開發(fā)兼具優(yōu)異光學與隔熱性能的透明氣凝膠提供了從機理模型到材料制備的全鏈路設計準則。

論文信息：Li S, Zhang J, Chen Y, et al. Tuning Radiative Properties of Multiscale Porous Transparent Silica Aerogels for Efficient Solar Interfacial Evaporation[J]. Advanced Functional Materials, 2026: e28287. https://doi.org/10.1002/adfm.202528287

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