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(duì)透明二氧化硅氣凝膠蓋板因內(nèi)部納米顆粒團(tuán)聚導(dǎo)致的強(qiáng)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(dòng)力學(xué)與宏觀輻射傳輸方程的多尺度數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)框架，通過精準(zhǔn)調(diào)控溶膠-凝膠工藝參數(shù)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(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)，顯著提升了多級(jí)太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量與能量利用效率。相關(guān)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(duì)多級(jí)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(gòu)建高透光、低霧度二氧化硅氣凝膠的設(shè)計(jì)理念。研究者建立了一套多尺度數(shù)值框架，揭示了微觀形貌對(duì)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(dǎo)，而紅外波段的消光則受成分中吸附水的限制（圖1）。實(shí)驗(yàn)通過精準(zhǔn)調(diào)控溶膠-凝膠動(dòng)力學(xué)，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(jié)合顯微成像與小角X射線散射技術(shù)驗(yàn)證了這種鏈狀團(tuán)聚體的微觀結(jié)構(gòu)（圖2）。基于輻射傳輸方程模擬得到的宏觀性能圖譜顯示，當(dāng)平均顆粒半徑小于 4 nm 且塊體密度低于200 kg·m-3時(shí)，5 mm厚的樣品可實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)圖譜深入探討了顆粒半徑、體密度及不對(duì)稱因子對(duì)光學(xué)指標(biāo)的調(diào)控規(guī)律，明確了高透光與低霧度主要取決于散射系數(shù)的最小化，這為材料合成提供了量化的指導(dǎo)準(zhǔn)則（圖5）。最后，將優(yōu)化后的氣凝膠作為蓋板集成至 10 級(jí)蒸發(fā)裝置，其太陽光譜加權(quán)透射率達(dá)95.2%，使單位面積產(chǎn)水率從 5.22 提升至 6.23kg·m-2·h-1，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)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(duì)吸收器具有高太陽透過率，同時(shí)通過延長固體熱傳導(dǎo)路徑、抑制納米孔網(wǎng)絡(luò)中的氣體對(duì)流以及吸收熱輻射來提供強(qiáng)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(tuán)聚體形態(tài)：均勻分布的c)初級(jí)球體，d)等效體積球體，e)鏈狀團(tuán)聚體，以及f)密實(shí)團(tuán)聚體。

圖2二氧化硅氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)表征。(a) 5.5 mm厚的二氧化硅氣凝膠單體的光學(xué)照片，可清晰透視下方文字，展現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)，無微米級(jí)結(jié)構(gòu)。(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(jí)二氧化硅顆粒。(d)由多張TEM圖像統(tǒng)計(jì)得到的初級(jí)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(shí)團(tuán)聚體與鏈狀團(tuán)聚體。(g-p)由不同半徑和數(shù)量的原生顆粒構(gòu)成的鏈狀及致密型團(tuán)聚體形態(tài)模擬圖。

圖3.四種二氧化硅納米顆粒團(tuán)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(shù)ksca以及(e, f)吸收系數(shù)kabs隨波長的變化關(guān)系（固定原生顆粒半徑，改變團(tuán)聚體中的顆粒數(shù)量）。(g) Qsca、(h, i) Qabs、(j) ksca以及kabs隨波長的變化關(guān)系（固定顆粒數(shù)量，改變?cè)w粒半徑）。

圖4透明二氧化硅氣凝膠平板的半球光學(xué)特性預(yù)測(cè)。(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(guān)系（改變顆粒數(shù)量）。(e) Ttotal、(f) Tdiffuse和(g)H隨波長的變化關(guān)系（改變顆粒半徑）。

圖5調(diào)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(duì)稱因子g來調(diào)節(jié)宏觀光學(xué)特性。(d)Ttotal和(e)H作為平均顆粒半徑與密度的函數(shù)，展示小尺寸與低密度可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透射與低霧度。(f) Ttotal和(g)H作為散射系數(shù)ksca與不對(duì)稱因子g的函數(shù)。

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(yīng)用。(a)集成了不同透射率氣凝膠蓋板的多級(jí)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(duì)比。(d)兩種樣品的散射中心直徑分布及外觀清晰度對(duì)比。(e-g)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中的溫度響應(yīng)、質(zhì)量變化、蒸發(fā)速率、效率及能量分配分析。(h)本文與文獻(xiàn)中各類蓋板材料蒸發(fā)速率的性能對(duì)比。

小結(jié)：區(qū)別于傳統(tǒng)僅關(guān)注蒸發(fā)器吸收層或水輸運(yùn)結(jié)構(gòu)的研究，該研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向透明保溫蓋板的光學(xué)調(diào)控。文章針對(duì)多級(jí)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(quán)衡難題，提出了一種基于多尺度調(diào)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(jié)構(gòu)與光學(xué)性能的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)制備和蒸發(fā)器測(cè)試驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)產(chǎn)水性能的提升作用，為開發(fā)兼具優(yōu)異光學(xué)與隔熱性能的透明氣凝膠提供了從機(jī)理模型到材料制備的全鏈路設(shè)計(jì)準(zhǔn)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

都看到這里了，關(guān)注一下吧^_^

聲明：本文部分素材源自網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有。分享旨在促進(jìn)信息傳遞與學(xué)術(shù)交流，不代表本公眾號(hào)立場，如有不當(dāng)，請(qǐng)聯(lián)系我們處理。歡迎從事【太陽能綜合利用/輻射制冷/微納尺度傳熱】等相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者分享您最新的研究工作，我們將竭誠為您免費(fèi)推送，投稿郵箱：wangcunhai@ustb.edu.cn