摘 要：能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)今人類社會(huì)面臨的全球性難題，減少二氧化碳 CO 和其他溫室氣體的排放，實(shí)現(xiàn)碳中和是當(dāng)務(wù)之急。以 能量的提供 儲(chǔ)存 消耗 再提供 為目標(biāo)的 人工生態(tài)循環(huán) 系統(tǒng)可以通過消耗 CO 獲取物質(zhì)和能源并實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，有助于緩解上述問題。氣凝膠材料具有超高孔隙率、超大比表面積和超低密度等特性，其連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅能夠提供豐富的電荷轉(zhuǎn)移通道，而且可以作為載體來摻雜或負(fù)載各種有機(jī)或無機(jī)活性材料以獲得催化性能優(yōu)異的復(fù)合材料，在人工生態(tài)循環(huán) 系統(tǒng)，包括光化學(xué)、電化學(xué)、儲(chǔ)能材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。概述了氣凝膠材料在人工生態(tài)循環(huán)中光化學(xué)、電化學(xué)、人工固氮、儲(chǔ)氫、熱電材料等方面的相關(guān)應(yīng)用，并對(duì)氣凝膠材料的發(fā)展前景進(jìn)行了總結(jié)和展望。
關(guān)鍵詞：人工生態(tài)循環(huán);氣凝膠;碳中和;人工光合作用;人工固氮;催化
第二次工業(yè)革命之后，世界上形成了以“化石能源為主，可再生能源為輔”的能源利用格局[1 。減少二氧化碳 CO 和其他溫室氣體的排放，開發(fā)和利用新的可再生能源，實(shí)現(xiàn)碳中和，已逐漸成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。尋找高能效、低能耗、環(huán)境友好的能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存材料及裝置，是全球可持續(xù)發(fā)展的重中之重[3 4]。為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染等世界性難題，世界各國(guó)不斷提高對(duì)新能源和可再生能源開發(fā)利用的力度，努力推動(dòng)以高效、清潔、低碳、智能為特征的綠色能源時(shí)代的到來。
模擬自然界的光合作用，利用新能源系統(tǒng) 如風(fēng)能或太陽能 提供電能和光能[5 11]，催化轉(zhuǎn)化可再生 能源 水、二氧化碳[12]、氨[13 14]，等 ，生產(chǎn)高燃燒值的化學(xué)產(chǎn)品和能源，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和輸運(yùn)，這種以O(shè)/CO /N 為支撐，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能源的可再生循環(huán)過程被稱為 人工生態(tài)循環(huán) 。
近年來， 碳達(dá)峰 和 碳中和 雙碳目標(biāo) 概念已深入人心， 碳達(dá)峰 即二氧化碳的排放不再增長(zhǎng)，達(dá)到峰值后逐步降低。 碳中和 即企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人測(cè)算在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，然后通過各種形式抵消自身產(chǎn)生的 CO 排放量，實(shí)現(xiàn) CO 的 零排放 。中國(guó)已經(jīng)承諾在 2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰 以及在 2060 年達(dá)到 碳中和 [15]。盡快改變中國(guó)長(zhǎng)期以來高度依賴化石能源以及大量排放溫室氣體和大氣污染物的狀況，傾力發(fā)展人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)于中國(guó)乃至世界的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義[12, 16 17]。
人工生態(tài)循環(huán)包括以 C/H/O/N 為主的物質(zhì)合成利用 再生的 物質(zhì)循環(huán) 和能量提供 儲(chǔ)存 消耗再提供的 能量轉(zhuǎn)換 。C/H/O/N 等物質(zhì)循環(huán)主要以人工光合作用和人工固氮為基礎(chǔ)。例如，光化學(xué)催化、電化學(xué)催化等化學(xué)方法可實(shí)現(xiàn)碳烴等有機(jī)燃料可以再生，能夠有效緩解世界能源短缺問題，降低大氣中 CO 含量并持續(xù)提供碳中和指標(biāo)[5, 11, 18]。
其中，以析氫反應(yīng) HER 析氧反應(yīng) OER 氧還原反應(yīng)ORR 二氧化碳還原反應(yīng) CO RR 為代表的電化學(xué)過程和電化學(xué)材料可用于大規(guī)模生產(chǎn)氫、氧、C/H燃料轉(zhuǎn)化、二次燃料電池等，在電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，也是清潔綠色能源開發(fā)和應(yīng)用的重要突破。人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中涉及的光化學(xué)催化 電化學(xué)催化反應(yīng)都需要在催化劑作用下進(jìn)行。目前對(duì)電化學(xué)催化劑的研究主要集中在高效催化劑的設(shè)計(jì)、合成、表征以及催化活性的選擇性上。催化劑的催化活性主要受到 個(gè)方面的影響：
1) 催化活性取決于暴露的活性位點(diǎn)數(shù)量，可通過調(diào)整催化劑的大小、形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)以提供更多的活性位點(diǎn)來改進(jìn)[19 22];2) 活性位點(diǎn)的內(nèi)在活性主要依賴于它們的微觀電子結(jié)構(gòu)，可以通過產(chǎn)生空位、摻雜和界面修飾等方法來調(diào)節(jié)[23 24]。如何進(jìn)一步提升催化劑的催化活性和綠色可回收性一直是學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究課題。氣凝膠是一種具有超多孔三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固體材料[25]，其結(jié)構(gòu)具有孔隙率超高、密度超低、比表面積超大等特點(diǎn)。氣凝膠的密度僅為 0.003~0.500 g/cm 約為空氣密度的 2.75 倍 ，被認(rèn)為是 世界上密度最低的固體 26 27]。
與傳統(tǒng)泡沫不同，氣凝膠在納米尺度上擁有非常小的孔隙和復(fù)雜的互連性以及納米尺度的分形結(jié)構(gòu)，這些特性使其保溫絕熱性能比傳統(tǒng)泡沫材料高約 2~5 倍[28 29]。氣凝膠材料的優(yōu)良性能使其在保溫隔熱[30 31]，電極材料[32 33]，催化劑載體[34]，傳感器[35]，環(huán)境吸附材料[36 37]，鋰離子電池[38]，藥物輸送系統(tǒng)[39 40]等方面具有極大的應(yīng)用潛力。例如，TiO 氣凝膠可用于光化學(xué)催化反應(yīng)[41]，金屬氣凝膠可用于電化學(xué)催化反應(yīng)[42]，碳?xì)饽z和石墨烯氣凝膠可作為催化劑載體[43 等。
不同于傳統(tǒng)的催化劑，氣凝膠材料的超多孔性可以提供大量的催化活性位點(diǎn)，顯著提高催化效率，促進(jìn)人工生態(tài)循壞的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。本文概述了氣凝膠材料在人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的典型應(yīng)用 ，總結(jié)并歸納了不同種類氣凝膠材料在人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中的最新研究成果，并展望了氣凝膠材料在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用前景。
1物質(zhì)循環(huán)
1.1 人工光合作用人工光合作用是模擬自然界光合作用的部分或全部過程，將 CO 和 合成富能有機(jī)物，同時(shí)釋放 [44 45]。將氣凝膠用于光化學(xué)、電化學(xué)材料，有望實(shí)現(xiàn)高效的人工光合作用，滿足人類對(duì) C/H/O 化合物持續(xù)增長(zhǎng)的需求，助力實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。
1.1.1 氣凝膠材料在電化學(xué)材料中的應(yīng)用 近年來，由于能源短缺和環(huán)境污染問題，氫燃料電池和金屬空氣電池等新型能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存技術(shù)受到廣泛關(guān)注。電化學(xué)是這些技術(shù)中不可替代的關(guān)鍵組成部分，受到了研究人員的廣泛關(guān)注和深入研究[9 10, 46]。
然而，大多數(shù)電化學(xué)催化材料仍然存在著活化電位高、成本高和穩(wěn)定性差等問題。因此，設(shè)計(jì)和制備具有高催化活性、高效、高穩(wěn)定性的電化學(xué)催化劑是亟待解決的問題之一[47 49]。氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅形成了電荷傳輸?shù)膶?dǎo)電通道，而且還可以用作摻雜或負(fù)載各種有機(jī)或無機(jī)活性材料的框架[27 28]，這種分形特征可用于合成具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料，在電化學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用[50]。
目前，用于電化學(xué)的氣凝膠主要分為金屬氣凝膠、碳?xì)饽z和石墨烯氣凝膠。Ni、Co 等金屬氣凝膠以及一些多金屬復(fù)合氣凝膠，可在 OER、HER、ORR 和 CO RR 中被用作電化學(xué)催化劑。金屬氣凝膠材料在電化學(xué)中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[51 52]： 三維網(wǎng)絡(luò)的多孔結(jié)構(gòu)使金屬氣凝膠具有超大比表面積，從而進(jìn)一步改善了質(zhì)子 電子傳遞過程，使反應(yīng)物容易在活性位點(diǎn)擴(kuò)散，提高了催化劑的催化活性; 金屬氣凝膠主要由小于 10 nm 的相互交聯(lián)納米鏈組成，該納米尺寸是電化學(xué)反應(yīng)的最佳尺寸。
此外，線性納米鏈結(jié)構(gòu)使金屬氣凝膠具有 自支撐性 ，因此使其具有更好的耐久性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高了催化劑的壽命。氫能是生態(tài)系統(tǒng)中一種高效、清潔的能源，自20 世紀(jì) 70 年代以來一直被認(rèn)為是化石燃料的理想替代品，而電解水被認(rèn)為是其大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)[53]。水分解反應(yīng)可分為析氫 HER 和析氧 OER半反應(yīng)，然而，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)慢和較高的過電位極大地限制了電解水的發(fā)展。
氣凝膠的三維多孔結(jié)構(gòu)可有效提高電化學(xué)過程中電子和離子的傳遞途徑，Chen 等[54]設(shè)計(jì)并制備了一種具有三維 3D 結(jié)構(gòu)的二硫化鉬量子點(diǎn) MoS QD 氣凝膠，可在酸性、中性和堿性 如海水 真實(shí)生態(tài)環(huán)境中有效地用作 HER 電化學(xué)催化劑使用。此外，該催化劑具有超低的過電位 53 mV 和在 0.5 mol/L硫酸中超過 10 的電化學(xué)穩(wěn)定性。Gao 等[55]采用一步自凝膠法和超臨界干燥法制備了 Au 改性分層多孔 Ni 氣凝膠。結(jié)果表明，摻雜 3% 摩爾分?jǐn)?shù) Au 的 Ni 氣凝膠只需要 377 mV的低起始電位水平就能驅(qū)動(dòng) 100 mA·cm 的大電流密度，而 Ni 氣凝膠需要的起始電位水平為 428 mV。
此外，3%Au 摻雜 Ni 氣凝膠在長(zhǎng)期運(yùn)行下具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。氣凝膠的層狀多孔結(jié)構(gòu)為催化劑提供了豐富的活性催化位點(diǎn)，催化劑中的 Au 進(jìn)一步加速了電子轉(zhuǎn)移，更有利于 OER 反應(yīng)。近年來，研究人員還利用金屬氣凝膠對(duì) CO 進(jìn)行電化學(xué)還原，實(shí)現(xiàn)了 CO 生成烴類的高效還原。Wang等[56]利用共還原法制備了用于電化學(xué)CO 還原為 CO 的 Ag Cu 雙金屬氣凝膠。研究表明，Ag88Cu12金屬氣凝膠的疏水性、三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)、豐富的晶界和幾何效應(yīng)的協(xié)同作用促進(jìn)了催化劑與Ag88Cu12 中*COOH 中間體之間的吸附，提高了催化劑的性能。
Ma 等[57]設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種非貴金屬Bi Sn 復(fù)合金屬氣凝膠 圖 3)，其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的提供了更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)，并且對(duì)甲酸具有高度的選擇性，實(shí)驗(yàn)證明了甲酸的 Faraday 效率高達(dá)93.9%。在 DFT 計(jì)算中，Bi 和 Sn 的共同存在優(yōu)化和降低了甲酸產(chǎn)生時(shí)的反應(yīng)能量勢(shì)壘，并提高了催化活性。上述 種簡(jiǎn)單易行的合成方法為金屬氣凝膠在 CO RR 中的應(yīng)用提供了一條新的途徑，為進(jìn)一步的工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
電化學(xué)反應(yīng)涉及 個(gè)過程：物質(zhì)轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移和界面反應(yīng)，因此反應(yīng)過程中的傳質(zhì)率、電子遷移率和暴露的活性位點(diǎn)會(huì)影響碳材料的催化活性。碳?xì)饽z的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以為物質(zhì)擴(kuò)散和加速傳質(zhì)提供通道，同時(shí)暴露出更多的活性中心，以確保反應(yīng)物與電極材料之間的充分接觸。催化活性元素的負(fù)載 摻雜作為修飾催化劑電子結(jié)構(gòu)的最直接的手段之一，一直是電化學(xué)催化劑各個(gè)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。碳?xì)饽z由于其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電導(dǎo)率，被廣泛用作電化學(xué)材料或載體。
Hong 等[58]報(bào)道了一種 原位固相聚合 策略來合成用于 ORR的 摻雜碳?xì)饽z。該合成策略有效避免了金屬的團(tuán)聚，成功制備了單分散的 Fe/Fe 納米顆粒 摻雜碳?xì)饽z，并將其應(yīng)用于 ORR 催化反應(yīng)。碳?xì)饽z的高比表面積增強(qiáng)了催化劑的反應(yīng)活性，促進(jìn)了質(zhì)子的遷移，提高了催化活性。同時(shí)，合成策略也為其他材料的合成開辟了新的途徑。
1.2 人工固氮氨 NH 是一種重要的工業(yè)原料，高效的氫載體和新興的航運(yùn)燃料，也是人類社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)最有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)之一 80]。隨著全球糧食和能源危機(jī)的加劇，對(duì) NH 的不斷增長(zhǎng)的需求刺激了對(duì)人工固氮的研究熱潮。在工業(yè)上，氨的合成仍然依賴于傳統(tǒng)的 Haber Bosch 工藝，這不僅要求高溫 300 ℃和高壓 15 MPa 等苛刻的反應(yīng)條件，而且消耗大量能源，約占全球能耗的 1% 3%[81 82]。
此外，Haber Bosch 的工藝是以天然氣重整產(chǎn)生的 為基礎(chǔ)，整個(gè)過程將會(huì)排放出大量的 CO ，造成環(huán)境退化和溫室效應(yīng)。鑒于上述情況，迫切需要開發(fā)一種綠色、可持續(xù)和環(huán)保的氨工藝，以取代 Haber Bosch工藝[83 84]。利用太陽能、風(fēng)能等環(huán)境友好能源實(shí)現(xiàn)常溫、常壓下人工固氮是十分有前景和必要的發(fā)展方式，在環(huán)境溫度和壓力條件下的電化學(xué)催化反應(yīng)已被證明對(duì) NRR 反應(yīng)是有效的，例如，金屬有機(jī)框架MOF [85 87] 和石墨烯 [88 89] 催化劑具有高 NRRFaraday 效率。因此，電化學(xué)催化被認(rèn)為是可以有效替代傳統(tǒng)的 Haber Bosch 制備氨的方法之一。
在上文中，介紹了金屬氣凝膠、碳?xì)饽z和石墨烯氣凝膠在 OER、HER、ORR 和 CO RR 中的應(yīng)用研究。然而，由于 NRR 反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件要求更高，如超凈實(shí)驗(yàn)空間、超純 、精密的檢測(cè)設(shè)備等因素[90 91]，產(chǎn)物 NH 的檢測(cè)也受到空氣中 NH 濃度的影響，NRR 仍然面臨著高效電化學(xué)催化劑的巨大需求，以激活惰性 N≡N 鍵和催化反應(yīng)的低 Faraday 效率限制了 NRR 的發(fā)展。目前，氣凝膠在 NRR 中的應(yīng)用報(bào)道還較少，其三維互連網(wǎng)絡(luò)和高孔隙率的獨(dú)特結(jié)構(gòu)有助于增加比表面積并提高電荷轉(zhuǎn)移效率，是優(yōu)化電化學(xué)效果的重要有利因素。
此外，自支撐氣凝膠還具有優(yōu)越的穩(wěn)定性，作為 NRR 的電化學(xué)催化劑或載體具有很大的應(yīng)用潛力。Liu 等[92]報(bào)道了一種具有導(dǎo)電和彈性的自支撐TiO 納米纖維氣凝膠 TiO NAs ，并直接作為電化學(xué)催化劑用于環(huán)境固氮。其是通過柔性 TiO 納米纖維的定向自組裝，然后再進(jìn)行鋰還原而制造的。分層有序的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保了良好的彈性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為了解決不利于電化學(xué)的 TiO 的極低導(dǎo)電性，氣凝膠進(jìn)一步進(jìn)行鋰還原，由此產(chǎn)生大量的氧空位 OVs 來調(diào)節(jié) TiO 的電子結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)率高達(dá)38.2 mS/cm。
此外，密度泛函理論 DFT 計(jì)算表明，這些 OVs 可以促進(jìn)氮的吸附和活化，有助于提高電化學(xué)催化活性。通過靛酚藍(lán)法測(cè)定，其 NH 產(chǎn)率為4.19×10 10 mol/(s·cm ，F(xiàn)araday 效率為 0.3%。該團(tuán)隊(duì)也報(bào)道了中空碳納米纖維氣凝膠 HC NFA 負(fù)載二維納米材料的 NRR 催化劑[93]。他們通過簡(jiǎn)便、有效的空位調(diào)控策略，通過合理地引入 種不同的二維硫系化合物，即過渡金屬二鹵代物 MoSe 和后過渡金屬一鹵代物 GaSe ，合成了一種高孔隙、高導(dǎo)電、超輕、高彈性、硒空位可調(diào)的 Ga Mo SeGa Mo Se 中空碳納米纖維氣凝膠 HC NFA 。
DFT 模擬表明，在 MoSe 中引入 Ga 并伴隨 Se 空位的形成，能夠降低 吸附和還原的自由能壘。得益于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及基體活性優(yōu)化，中空碳納米纖維氣凝膠負(fù)載的二維 Ga Mo Se 在 0.3 V vs. RHE 標(biāo)準(zhǔn)氫電極 的電勢(shì)下，氨產(chǎn)率為 2.57×10 10 mol/(s·cm 、Faraday 效率為 26.5%。該項(xiàng)工作為二維納米材料活性調(diào)控以及高性能固氮催化劑的開發(fā)提供了新思 路。 Liu 等 [94] 報(bào)道了一種由 MoO 和 FeSMoO /FeS /GA 支撐的三維石墨烯氣凝膠 GA ，以模擬 MoFe 硝化酶，用于開發(fā) NRR 電化學(xué)催化劑。結(jié)果表明，每毫克催化劑在 0.1 mol/L HCl 電解液中NH 產(chǎn)率為 40.18 μg/h mgcat. ，在 0.25 V vs. RHE 電位下的 Faraday 效率 FE 為 37.44%。
與 GA、FeS /GA和 MoO /GA 以及其他 NRR 電化學(xué)催化劑相比，其電化學(xué)性能最優(yōu)。該研究不僅可以在常溫常壓下制備 NH ，而且為 NRR 的三維支撐氣凝膠電化學(xué)催化劑載體的設(shè)計(jì)提供了新的思路。 能量轉(zhuǎn)換第 次科技革命以來，能源已經(jīng)成為世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的命脈。
2世界經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化，得益于化石等不可再生能源，如石油、天然氣、煤炭的廣泛應(yīng)用，然而，這些不可再生能源將在有限的時(shí)間內(nèi)宣告枯竭。化石能源與原料鏈條的中斷，必將導(dǎo)致世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)和沖突的加劇，最終葬送現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)[95 96]。
為了減少對(duì)化石燃料的依賴，加強(qiáng)對(duì)能源 燃料替代用品的研究已成為主流趨勢(shì)，主要的替代能源有：燃料電池[97]、生物能[98]、太陽能[99]、潮汐能[100]和風(fēng)能[101]等。但是迄今為止只有水利發(fā)電和核能有明顯的功效。太陽能雖然用之不竭，但轉(zhuǎn)換效率還有待提高，其他新能源也分別存在各種制約因素。模擬自然生態(tài)系統(tǒng)，通過人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換，是有效緩解能源危機(jī)的重要途徑之一。
2.1 氣凝膠在儲(chǔ)氫領(lǐng)域的應(yīng)用氫能作為一種新型清潔二次能源，具有原料來源豐富、能源密度高、環(huán)保、儲(chǔ)存方法多樣等優(yōu)點(diǎn)。因此，大規(guī)模應(yīng)用氫能對(duì)促進(jìn)人類能源問題的解決具有重要意義[102 104]。實(shí)現(xiàn)氫能的大規(guī)模應(yīng)用需要解決氫氣的制備、儲(chǔ)存和應(yīng)用等關(guān)鍵問題，然而，經(jīng)濟(jì)高效的儲(chǔ)氫技術(shù)以及安全性等問題是制約氫能使用的關(guān)鍵[105 106]。目前少部分儲(chǔ)氫材料具有較高的儲(chǔ)氫能力，如金屬氫化物[52]和金屬有機(jī)框架 MOF [107 109]等。盡管儲(chǔ)氫條件苛刻 77 、6.0×106 Pa ，氫氣的吸收釋放率低，但多孔結(jié)構(gòu)、高吸附容量的多孔炭材料可實(shí)現(xiàn)反復(fù)吸脫氫過程，因此，人們傾向于選擇多孔碳材料代替金屬氫化物作為新一代儲(chǔ)氫材料[110]。常見的碳基儲(chǔ)氫材料包括碳納米管、石墨烯、高比表面積活性炭和碳?xì)饽z。
2.2 氣凝膠在熱電領(lǐng)域的應(yīng)用熱電 TE 材料是一種能實(shí)現(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，1821 年發(fā)現(xiàn)的 Seebeck 效應(yīng)和 1834 年發(fā)現(xiàn)的 Peltier 效應(yīng)為熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷的應(yīng)用提供了理論依據(jù)[117 118]。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)可將自然界和人類活動(dòng)產(chǎn)生的余廢熱直接轉(zhuǎn)化為有效電能，具有無傳動(dòng)部件、不排放燃燒污染物、安全可靠、應(yīng)用溫度范圍寬等特點(diǎn)。熱電裝置可以直接將太陽、放射性同位素、汽車尾氣、工業(yè)生產(chǎn)余熱甚至人體散發(fā)的熱量轉(zhuǎn)化為電能，有效提高能源利用率。
開發(fā)高質(zhì)量、高性能、高效率的熱電材料在推動(dòng)綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展道路上具有重要的戰(zhàn)略意義。氣凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以提供多種電子傳輸路徑，從而提高電導(dǎo)率，例如石墨烯氣凝膠、碳?xì)饽z等中存在豐富的結(jié)點(diǎn)和界面，采用高孔隙率結(jié)構(gòu)用作熱電材料可以降低材料熱導(dǎo)率，利于產(chǎn)生較大的溫差，從而有利于提高材料的熱電優(yōu)值ZT ，是一種理想的熱電材料或熱電材料載體。
2.3 其他太陽能作為一種清潔、取之不盡、用之不竭的能源，有效利用太陽能將降低人類對(duì)化石燃料的依賴程度，緩解全球能源危機(jī)。隨著全球淡水資源短缺，推動(dòng)海水淡化和廢水凈化已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)，其中，利用太陽能蒸汽發(fā)電是通過有效利用自然界豐富的太陽能來提取淡水的有效方法之一。
對(duì)于太陽能蒸汽發(fā)電，主要的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)可生物降解的、可持續(xù)的、低成本的、具有高太陽能蒸汽發(fā)電效率的新材料。Jiang 等[122]設(shè)計(jì)了一種雙層氣凝膠結(jié)構(gòu)，采用天然豐富的纖維素納米纖維 CNFs 作為基本結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性和生物降解性，并采用碳納米管 CNT 層來實(shí)現(xiàn)高效的太陽能利用。
由于其合理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和熱調(diào)節(jié)性能，雙層 CNF CNT氣凝膠表現(xiàn)出很高的太陽能轉(zhuǎn)換效率，在 kW/m個(gè)太陽 的太陽輻射下，轉(zhuǎn)換效率為 76.3%和1.11 kg/(m ·h)。納米纖維氣凝膠為設(shè)計(jì)具有卓越性能的可生物降解、可持續(xù)和可擴(kuò)展的太陽能蒸汽生成裝置提供了一條新的途徑。
3總結(jié)和展望
隨著全球綠色革命的推進(jìn)，世界各國(guó)正在努力構(gòu)建以高效、清潔、低碳、智能為主要特征的綠色能源時(shí)代。發(fā)展人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，促進(jìn)化石燃料能源系統(tǒng)向綠色能源為主的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，對(duì)于解決能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題，實(shí)現(xiàn)碳中和，具有重要意義。充分發(fā)揮氣凝膠的催化特性，才是真正體現(xiàn)其重要價(jià)值、 改變世界 的有效途徑。氣凝膠材料在人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中作為高效催化材料，有望扮演關(guān)鍵角色，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高效的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換。
在人工光合作用中，金屬氣凝膠、碳?xì)饽z和石墨烯氣凝膠可以在電化學(xué)領(lǐng)域大顯身手。而無機(jī)氧化物氣凝膠、石墨烯及其復(fù)合物以及有機(jī) 無機(jī)雜化氣凝膠有望在光化學(xué)領(lǐng)域一展所長(zhǎng)。另外，在人工固氮過程中，氣凝膠材料在實(shí)現(xiàn)常溫常壓氮還原方面具有很大潛力。在能量轉(zhuǎn)換過程中，碳?xì)饽z、金屬負(fù)載碳?xì)饽z、石墨烯氣凝膠等在儲(chǔ)氫、熱電以及其他能量轉(zhuǎn)換功能材料領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，氣凝膠材料仍存在一定的局限性，在今后的研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：
加強(qiáng)對(duì)多組分、復(fù)合結(jié)構(gòu)體系氣凝膠的研究。目前針對(duì)氣凝膠的研究主要集中在單一組分、單一結(jié)構(gòu)氣凝膠方面，而對(duì)于有機(jī) 無機(jī)雜化氣凝膠、金屬氣凝膠、多尺度網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)氣凝膠等的研究還要進(jìn)一步深化;深入研究氣凝膠在電化學(xué)、光化學(xué)應(yīng)用中的作用機(jī)理。
材料工程論文：氣凝膠材料在建筑行業(yè)中的應(yīng)用
對(duì)于氣凝膠材料，目前的關(guān)注點(diǎn)主要局限于絕熱特性及其在保溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用。氣凝膠在電化學(xué)、光化學(xué)、儲(chǔ)氫和人工固氮等方面的應(yīng)用機(jī)理研究尚不完善。需要進(jìn)一步研究氣凝膠催化作用的內(nèi)在機(jī)理，揭示氣凝膠性能與結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)規(guī)律。另外，高性能和多功能的氣凝膠電化學(xué) 光化學(xué)材料還有待進(jìn)一步開發(fā);優(yōu)化工藝，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。雖然大量關(guān)于氣凝膠優(yōu)異催化性能的報(bào)道，但目前相關(guān)成果大多停留在實(shí)驗(yàn)研究階段。有必要大力開發(fā)、優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低成本，推進(jìn)氣凝膠的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用，使氣凝膠真正成為 改變世界的神奇材料 。
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作者：李華鑫，樂 弦，肖 洲，余顯波，孫豐壘，薛 潮，向軍輝
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