综述：气凝胶基界面蒸发在太阳能海水淡化技术中的应用与研究进展

这篇综述系统阐述了气凝胶（aerogel）作为光热材料在界面太阳能蒸发（interfacial solar evaporation）中的独特优势，包括低导热性（low thermal conductivity）、高孔隙率（high porosity）和轻质特性，及其在提升蒸发速率（evaporation rate）、解决盐污染（salt pollution）和延长使用寿命（service life）等核心问题中的应用潜力。文章通过分析光热转换（photothermal conversion）机制与结构设计策略，为高效太阳能海水淡化（solar desalination）技术发展提供了重要参考。

　　

引言

地球表面71%被水体覆盖，但97%为不可直接利用的咸水，仅0.06%淡水可供人类使用。随着人口增长与工业化发展，淡水短缺问题日益严峻。传统海水淡化技术如反渗透（reverse osmosis）和膜蒸馏（membrane distillation）依赖高能耗化石燃料，而太阳能驱动界面蒸发技术因其零污染、高效率成为研究热点。

界面蒸发器结构

典型蒸发器由三层功能结构组成：

1. 吸收层：通过碳基纳米材料（carbon-based nanomaterials）或钙钛矿氧化物（perovskite oxides）实现宽光谱吸收（>90%太阳辐射）和高效光热转换。
2. 蒸发界面：气凝胶的纳米多孔结构可限制热传导（thermal conductivity <0.04 W/(m·K)），将热量集中于气-液界面，使蒸发速率提升至1.2-2.5 kg/(m²
   ·h)。
3. 隔热层：通过超临界干燥（supercritical CO₂
   drying）制备的二氧化硅气凝胶（silica aerogel）可减少80%热损失。

气凝胶材料优势

相较于水凝胶（hydrogel）和生物质材料，气凝胶具有：

• 快速水传输：三维连通孔道实现毛细管力驱动供水（water supply rate >4.0 L/(m²
  ·h)）。
• 抗盐沉积：表面疏水改性（contact angle >150°）可延缓盐结晶（salt crystallization）。
• 机械稳定性：纤维素复合气凝胶（cellulose-based aerogel）抗压强度达50 kPa，循环使用100次后性能衰减<5%。

挑战与展望

当前技术瓶颈包括光热转换效率（<60%）、长期耐候性（UV老化）和规模化生产成本（>$50/m²
）。未来研究方向建议：

1. 仿生结构设计：模仿树叶脉络的分级通道可同步优化水传输与热局域化。
2. 杂化材料开发：石墨烯/气凝胶复合物（graphene-aerogel）可兼具高吸光性（absorbance >99%）和抗盐性。
3. 智能响应系统：温敏聚合物（thermoresponsive polymer）修饰可实现自调节蒸发速率。

结论

气凝胶基界面蒸发技术为可持续淡水生产提供了革新方案，其性能优化需协同材料改性与结构创新。突破传质-传热耦合机制（mass-heat transfer coupling）和降低制造成本将是实现商业化的关键。