【研究背景】

太阳能界面蒸发策略（SIES）在应对水资源短缺和能源危机方面显示出巨大的潜力。由于其独特的结构-性能关系，生物基水凝胶衍生的界面蒸发器可以实现高效蒸发。因此，越来越多的研究集中在水处理上，甚至在从微尺度到分子尺度的生物基水凝胶衍生界面蒸发的效率和机制方面，关注先进储能应用的潜力。该文首先介绍了高效界面蒸发器与生物基水凝胶之间的相互关系。然后，特别关注与有前景的生物聚合物衍生界面蒸发器的最新研究相关的生物聚合物的固有分子特性，以展示生物聚合物的独特优势。此外，还重点介绍了生物基水凝胶在海水淡化、水净化、大气集水、能量储存和转换等方面的应用。最后，给出了挑战和未来前景，以揭示生物基水凝胶衍生的SIES在可持续水和其他储能应用中的瓶颈。

【文章解读】

图1. a） 全球水平太阳辐射 b） 从2002年起，界面蒸发器每年发表的文章数量。c） 从2002年开始，水凝胶界面蒸发器占界面蒸发器发表文章的年度百分比。d）界面蒸发器的已发表作品数量。

图2. 生物基水凝胶作为高效界面蒸发器的材料平台在各种应用中的可能性。

图3. 生物基水凝胶界面蒸发器的界面表面结构。

图4. 生物基水凝胶界面蒸发器的内部结构。

图5. 纤维素基水凝胶界面蒸发器。

图6. 壳聚糖基水凝胶界面蒸发器。

图7. 生物基水凝胶界面蒸发器在海水淡化和废水净化中的应用。

图8. 生物基水凝胶界面蒸发器在大气水收集和蒸汽产生中的应用。

图9. 生物基水凝胶界面蒸发器在大气水收集和蒸汽产生中的应用。

【文章总结】

太阳能被认为是应对能源危机和水资源短缺等问题最有前景的可再生能源。生物基水凝胶作为一种新型材料平台，具有独特的性能，满足可持续水和能源收集应用的要求。该综述阐述了SIES与生物基水凝胶之间的关系，并阐明了生物基水凝胶的设计策略，以揭示复杂的水-聚合物关系。还包括生物基水凝胶SIES，以突出生物聚合物的内在特性，从而实现先进的应用。最后，展示了生物基水凝胶和SIES在可持续水和能源储存方面协同作用的代表性应用系统，旨在启发SIES支持的新努力。然而，由于材料和系统在制造工艺和设计策略方面的效率和可扩展性较差，仍需应对挑战：

图10. 生物基水凝胶衍生的SIES在可持续水和能源储存应用中的前景。

1. SIES中的水行为。SIES的性能对这些可持续应用起着关键作用。生物聚合物骨架赋予水凝胶令人兴奋的聚合物-水相互作用，使水相转变和水转移变得容易。然而，可调内部多孔结构和亲水官能团实现高效水或离子传输的基本深入机制尚不清楚。对水凝胶结构的精确控制以及分子水平的模拟将揭示聚合物相关水行为的基本机制。

2. SIES设计的耐久性。长期利用率和可扩展性是实际应用和商业化的另一个关键部分。应从分子水平监测机械完整性和太阳能蒸发下性能之间的相互关系，以实现长期利用。同时，还应监测重复使用过程中内部结构和化学结构的变化，以调节材料，进一步改进水凝胶材料。SIES可以与风能等其他可再生能源相结合，突破SIES的理论性能。需要先进的系统设计，如3D SIES，以优化太阳能利用效率和发电，适应各种环境场景，实现太阳能的广泛利用。

3. 探索协作系统。研究不同机制下的蒸发诱导发电对于理解SIES和储能应用的集成机制至关重要，从而促进高功率输出和效率。不同领域研究人员的各种跨学科合作的新颖组合对于新兴设备或系统的开发至关重要。关于光热转换和发电协同耦合的研究激增，将推动理解下一代水凝胶衍生应用的当前挑战和创新的发展。

【文献来源】

https://doi.org/10.1002/smll.202403221