深圳大学彭孝军院士团队在《先进功能材料》发表长篇综述:有序结构生物质气凝胶的理性设计与太阳能蒸发应用——一篇深度解析与前瞻展望
深圳大学彭孝军院士团队在《先进功能材料》发表长篇综述：有序结构生物质气凝胶的理性设计与太阳能蒸发应用——一篇深度解析与前瞻展望
在当今全球淡水资源日益紧张的背景下，太阳能驱动的海水淡化技术已成为解决这一挑战的重要途径。近日，深圳大学彭孝军院士团队在国际材料科学顶级期刊《Advanced Functional Materials》（IF=19.0）上发表了题为“Rational Design of Ordered-Structured Biomass Aerogel for Solar Evaporation”的长篇综述论文。该论文由深圳大学材料科学与工程学院本科生林源鸿作为第一作者，张莹莹博士后、陈小强教授、彭孝军院士作为共同通讯作者，深圳大学为第一完成单位。这一研究标志着深圳大学在新能源与环境材料领域的重要进展，也为全球淡水资源的可持续利用提供了新的思路与解决方案。
一、背景与挑战：太阳能界面蒸发的重要性与生物质气凝胶的创新优势
淡水资源短缺已成为制约人类可持续发展的重大全球性挑战。在这一背景下，太阳能界面蒸发技术 因其高效、环保的特点，成为海水淡化领域的前沿方向。与传统的太阳能蒸发技术相比，界面蒸发通过将太阳能高效转化为热能并局限在蒸发界面附近，显著提高了蒸发效率。而生物质气凝胶 作为蒸发器材料，凭借其生物相容性、可降解性和可再生性，成为当前备受关注的创新材料。这类气凝胶以纤维素、木质素、壳聚糖等天然生物质为基础，结合高效光热材料，构筑了独特的三维多孔结构，不仅具有良好的光吸收和热局域能力，还展现了优异的水传输与抗盐性能。
此前的综述多聚焦于蒸发器性能的展示，但对有序结构与性能之间的内在关联 探究不足。这篇综述填补了这一空白，系统梳理了生物质气凝胶的有序结构设计及其在太阳能界面蒸发中的应用机制，为后续研究和产业化发展提供了系统化、深度化的指导。
二、有序结构生物质气凝胶的核心组成与构建方法
本综述从基体材料、光热材料到结构构建方法，全面解析了有序结构生物质气凝胶的设计要素：
基体材料：生物质的多维潜力
核心基体材料包括纤维素、木质素、壳聚糖 等。这些天然高分子不仅来源广泛、成本低廉，而且具有良好的成胶性和化学可修饰性。通过化学改性或物理重组，可以调节其亲疏水性、机械强度和多孔结构，为气凝胶的构筑提供基础骨架。
光热材料：高效太阳能捕获的关键
光热材料分为无机材料（如碳基材料、金属纳米颗粒）和有机材料（如导电聚合物、有机染料）两大类。这些材料通过表面等离子体共振或分子能级跃迁将太阳能转化为热能，是蒸发器高效工作的核心。综述分析了不同类型光热材料的负载方式及其与生物质基体的协同作用。
有序结构构建方法：科学设计支撑高性能
综述重点总结了三种主流的生物质气凝胶有序结构制备方法：
溶胶凝胶法：通过控制凝胶化过程，形成均匀的多孔网络结构。
冰模板法：利用冰晶的生长和定向排布，创建高度规整的垂直孔道或分层结构。
可控干燥法：通过调控干燥条件，维持凝胶骨架的完整性，防止结构坍塌。
三、典型有序结构对性能的提升机制
综述深入分析了垂直通道、蜂窝结构和砖泥结构 三种典型有序结构如何从微观层面提升蒸发器的整体性能：
垂直通道结构：高效水传输与快速排盐
通过冰模板法构建的垂直排列孔道 不仅为水的快速输运提供了“高速公路”，还能有效减少水的蒸发焓，显著提升蒸发速率。同时，这种结构有助于盐分的定向输运与及时排出，缓解蒸发器表面结盐问题，维持长期稳定运行。
蜂窝结构：优化的光吸收与热局域
规则的蜂窝状孔洞 增强了材料对太阳光的多次散射与吸收，实现了更高效的光捕获。该结构还有利于将热量更好地局域在蒸发界面，减少热损失，实现更高的光热转换效率。
砖泥结构：力学强化与稳定支撑
在由刚性“砖块”（如纳米纤维或片层）和柔性“泥浆”（如聚合物基质）组成的复合结构中，砖泥结构 能够有效分散应力，提升气凝胶的力学强度和结构稳定性，使其在实际应用中更具耐用性。
四、优势、挑战与未来展望
该综述明确指出了有序结构生物质气凝胶的三大核心优势：可再生性与可降解性 符合可持续发展理念；原料来源广泛，整体成本相对较低；有序结构设计 可针对性地优化蒸发器性能。
同时，论文也指出了当前面临的挑战，包括：生物质原料的化学稳定性与批次均一性 需要进一步提升；规模化制备技术 有待突破，以实现高一致性的大规模生产；结构设计的精度与复杂性能需求的匹配 仍需深化研究。
在展望部分，综述特别强调了人工智能与机器学习 在该领域的应用前景。通过构建材料基因数据库，结合机器学习算法，可实现对气凝胶组成、结构、性能的智能预测与优化设计，大幅加速新材料的开发周期，为高性能太阳能蒸发器的理性设计开辟新的路径。
五、研究意义与资助支持
该综述通过系统化的知识梳理和深入的机理分析，旨在为太阳能界面蒸发及相关材料领域的研究者提供一个全面、深刻的视角，推动生物质气凝胶从基础研究走向实际应用。这项研究得到了国家自然科学基金、深圳大学2035卓越研究计划项目、广东省基础与应用基础研究基金、深圳大学高水平大学建设三期项目及深圳大学研究团队培育计划项目的资助（项目编号详见原文），体现了国家和地方对前沿基础研究与可持续发展技术创新的高度重视。
深圳大学彭孝军院士团队此次在顶刊发表的长篇综述，不仅展现了深圳大学在材料科学与工程领域，尤其是在交叉学科人才培养和前沿科研探索方面的强劲实力（本科生作为第一作者更是体现了其卓越的本科生科研培养模式），也为全球应对淡水危机贡献了源自中国科研团队的智慧与方案。
文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202531750
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