文献前沿| Adv. Fun. Mater. 调控多尺度孔隙二氧化硅气凝胶辐射特性实现高效太阳能界面蒸发

在太阳能界面蒸发器热管理需求日益增加的背景下，针对透明二氧化硅气凝胶盖板因内部纳米颗粒团聚导致的强散射、高雾度及可见光透射率受限等问题，研究人员建立了一套耦合微观有限元电动力学与宏观辐射传输方程的多尺度数值模拟及实验框架，通过精准调控溶胶-凝胶工艺参数来优化气凝胶的微观形貌，成功降低了散射中心半径并抑制了多重散射，实现了具有超高太阳光谱透射率与低雾度的温室选择性盖板设计，显著提升了多级太阳能蒸发系统的淡水产量与能量利用效率。相关工作以Tuning Radiative Properties of Multiscale Porous Transparent Silica Aerogels for Efficient Solar Interfacial Evaporation为题发表在Advanced Functional Materials期刊。

针对多级太阳能界面蒸发（MSIE）中盖板热损耗与透光率的矛盾，文章提出了构建高透光、低雾度二氧化硅气凝胶的设计理念。研究者建立了一套多尺度数值框架，揭示了微观形貌对辐射特性的影响逻辑，指出在波长小于500 nm的短波段，光散射主要受纳米颗粒形貌主导，而红外波段的消光则受成分中吸附水的限制（图1）。实验通过精准调控溶胶-凝胶动力学，将气凝胶的平均散射中心半径从4.9 nm缩减至3.1 nm，并结合显微成像与小角X射线散射技术验证了这种链状团聚体的微观结构（图2）。基于辐射传输方程模拟得到的宏观性能图谱显示，当平均颗粒半径小于 4 nm 且块体密度低于200 kg·m-3时，5 mm厚的样品可实现大于95%的透光率和小于5%的雾度（图3,图4）。随后，研究通过设计图谱深入探讨了颗粒半径、体密度及不对称因子对光学指标的调控规律，明确了高透光与低雾度主要取决于散射系数的最小化，这为材料合成提供了量化的指导准则（图5）。最后，将优化后的气凝胶作为盖板集成至 10 级蒸发装置，其太阳光谱加权透射率达95.2%，使单位面积产水率从 5.22 提升至 6.23kg·m-2·h-1，实现了19.3%的性能增益（图6）。

图1多尺度展示二氧化硅气凝胶以增强太阳能热利用性能。(a)二氧化硅气凝胶在太阳能热利用中所需的性能：对吸收器具有高太阳透过率，同时通过延长固体热传导路径、抑制纳米孔网络中的气体对流以及吸收热辐射来提供强隔热效果。(b)二氧化硅气凝胶中所涉及的多尺度辐射特性的示意图。(c-f)在二氧化硅气凝胶中建模的四种代表性二氧化硅纳米颗粒团聚体形态：均匀分布的c)初级球体，d)等效体积球体，e)链状团聚体，以及f)密实团聚体。

图2二氧化硅气凝胶的微观结构表征。(a) 5.5 mm厚的二氧化硅气凝胶单体的光学照片，可清晰透视下方文字，展现高透明度。(b)高分辨扫描电镜（SEM）图像，显示均匀分布的纳米多孔网络，无微米级结构。(c)高分辨高角环形暗场（HAADF）透射电镜（TEM）图像，揭示离散的初级二氧化硅颗粒。(d)由多张TEM图像统计得到的初级颗粒粒径分布，平均半径约0.67 nm。(e)探针校正TEM下的能量色散X射线光谱（EDS）元素分布图，表明硅和氧均匀分布。(f)高分辨TEM图像，展示两种典型的纳米颗粒聚集形态：密实团聚体与链状团聚体。(g-p)由不同半径和数量的原生颗粒构成的链状及致密型团聚体形态模拟图。

图3.四种二氧化硅纳米颗粒团聚体形态在不同波长下的散射与吸收特性。(a)散射效率Qsca(b, c)吸收效率Qabs(d)散射系数ksca以及(e, f)吸收系数kabs随波长的变化关系（固定原生颗粒半径，改变团聚体中的颗粒数量）。(g) Qsca、(h, i) Qabs、(j) ksca以及kabs随波长的变化关系（固定颗粒数量，改变原生颗粒半径）。

图4透明二氧化硅气凝胶平板的半球光学特性预测。(a)辐射传输穿过气凝胶平板的示意图。(b)总透射率Ttotal、(c)弥散透射率Tdiffuse和(d)雾度H随波长的变化关系（改变颗粒数量）。(e) Ttotal、(f) Tdiffuse和(g)H随波长的变化关系（改变颗粒半径）。

图5调节体相二氧化硅气凝胶总透射率与雾度的策略。(a-c)通过优化a)平均颗粒半径、b)块体密度和c)不对称因子g来调节宏观光学特性。(d)Ttotal和(e)H作为平均颗粒半径与密度的函数，展示小尺寸与低密度可同时实现高透射与低雾度。(f) Ttotal和(g)H作为散射系数ksca与不对称因子g的函数。

图6优化与未优化的二氧化硅气凝胶在太阳能界面蒸发中的应用。(a)集成了不同透射率气凝胶盖板的多级太阳能界面蒸发装置示意图。(b, c)优化与未优化气凝胶的光谱透射率与雾度对比。(d)两种样品的散射中心直径分布及外观清晰度对比。(e-g)蒸发实验中的温度响应、质量变化、蒸发速率、效率及能量分配分析。(h)本文与文献中各类盖板材料蒸发速率的性能对比。

小结：区别于传统仅关注蒸发器吸收层或水输运结构的研究，该研究重点转向透明保温盖板的光学调控。文章针对多级太阳能界面蒸发系统中盖板透光率与热损失之间的权衡难题，提出了一种基于多尺度调控策略的高透明、低雾度二氧化硅气凝胶。该研究以理论模型解析气凝胶结构与光学性能的关系，并通过实验制备和蒸发器测试验证了结构优化对产水性能的提升作用，为开发兼具优异光学与隔热性能的透明气凝胶提供了从机理模型到材料制备的全链路设计准则。

论文信息：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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