《Nano Energy》：Hydrogels with Engineered Functions for Solar-Driven Technologies in Water-Energy-Environment
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水凝胶因其三维网络结构、可调湿性和光热特性，在太阳能驱动的水-能-环境耦合系统中展现出巨大潜力。本文系统综述了水凝胶在太阳能驱动过程中的多功能应用，重点探讨其结构-性能关系、光热转换与水分蒸发机制，以及通过表面工程、掺杂优化和功能基团设计提升性能的策略，并提出经济-技术分析（TEA）、生命周期评估（LCA）和机器学习（ML）等工具指导未来发展，最后总结技术挑战与大规模应用前景。
宁安|张文轩|王鹏|李倩|邱杰山
山东大学环境科学与工程学院，环境过程与健康重点实验室，复杂多媒体污染协同控制重点实验室，中国青岛市266200
摘要
具有独特三维网络结构、可调湿度和光热特性的水凝胶在太阳能驱动系统中具有巨大潜力，能够实现水-能源-环境综合管理。本文系统地探讨了水凝胶在太阳能驱动过程中的多功能应用，重点关注技术原理、材料优化、潜在策略和多样化应用场景。详细讨论了为太阳能驱动应用定制的水凝胶的结构-性能关系。阐述了水凝胶在太阳能驱动过程中所涉及的光热转换和水分子蒸发机制。从表面工程、掺杂优化和功能团设计等方面介绍了提高基于水凝胶的太阳能驱动系统性能的材料设计原则和优化策略。此外，还介绍了经济技术分析（TEA）、生命周期评估（LCA）和机器学习（ML）等方法，以指导未来的发展。最后，概述了下一代基于水凝胶的太阳能驱动技术面临的关键挑战和机遇，包括具有可调结构和性能的智能制造、系统集成、人工智能技术和工艺工程等，这些为水凝胶及其相关领域的持续创新提供了新的思路。
引言
水是维持地球生命支持系统的关键资源[1]。然而，全球淡水储量仅占地球总水资源的2.5%，而湖泊、池塘和大气中的可直接利用的淡水比例不到1%[2]、[3]。因此，全球淡水短缺已成为世界可持续发展的关键挑战，而通过利用“水-能源-环境”之间的相互联系来生产淡水可以解决这一问题。尽管传统的、化学密集型的淡水生产技术（如热蒸馏[4]、[5]和反渗透[6]、[7]）具有高效率，但其广泛应用受到高能耗、潜在环境风险和高运营成本的限制[8]、[9]。因此，开发环境可持续和节能的淡水生产技术已成为当务之急，尤其是对于经济条件较差和偏远地区而言。
太阳能丰富、分布广泛、可再生，已成为化石燃料的有希望的替代品[10]。与其他受地理和时间限制的天然可再生能源（如风能、潮汐能）不同，太阳能在全球范围内均可获取，特别是在阳光充足和气候干旱的地区[11]。近年来，由于低碳能源供应、环境友好性和成本效益，太阳能驱动的可持续淡水生产技术引起了广泛关注[12]、[13]。此外，作为一类软聚合物网络材料，水凝胶具有三维（3D）结构特性，完全符合水-能源-环境协同的材料要求[14]、[15]。水凝胶的含水量超过90%，是一种理想的毛细水传输介质，能耗低[16]，其生物相容性确保符合饮用水安全标准，且不会造成化学污染。此外，其可调的物理化学性质为精确调控能源利用、淡水生产和减轻环境影响提供了强大的材料平台[17]。通过合理设计，水凝胶可以实现宽带太阳能吸收[18]、[19]，而内部的多尺度多孔网络结构结合表面改性则提高了传质效率[20]，从而使水凝胶成为突破传统太阳能驱动系统效率瓶颈并整合水-能源-环境综合应用的关键材料系统[21]、[22]。
图1a展示了基于水凝胶的太阳能驱动技术的发展历程。2018年，水凝胶首次被引入基于水凝胶的太阳能驱动系统，展示了其在太阳能驱动的淡水生产、能量收集和环境修复方面的潜力，从而吸引了学术界和工业界的广泛关注[23]、[24]、[25]。后续研究迅速扩展到材料优化[18]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]以及系统集成[40]、[41]，开发了基于水凝胶的太阳能蒸发器[42]、吸附式大气水收集装置[42]、[43]和多功能集成平台[44]，以实现更高的淡水生产效率、更经济的能源利用和更广泛的环境修复应用。应用场景从海水/盐水淡化扩展到大气水收集[45]，进一步与农业灌溉[46]、热电联产[47]、资源生产[48]、污染控制[49]、[50]等领域相结合，逐渐形成了一个水-能源-环境集成的多功能系统。
尽管已有几篇综述探讨了太阳能驱动的清洁水生产研究，但对水-能源-环境框架下水凝胶独特材料属性的全面分析仍然有限。鉴于该领域的快速发展，迫切需要更新和系统的综述。为此，本文旨在提供基于水凝胶的太阳能驱动技术的现状概述，详细阐述其基本原理和进展，并批判性地评估水-能源-环境框架内的潜在未来发展方向（图1b）。本文首先系统分析了水凝胶在水-能源-环境应用中的结构-性能关系，然后深入阐明了基于水凝胶的太阳能驱动过程的机制。随后，详细介绍了基于水凝胶的系统的材料设计原则和性能提升策略。重要的是，本文提出了技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）和机器学习（ML）等新方法，以定量评估系统可持续性并指导未来发展。此外，本文还概述了基于水凝胶的系统的设备集成方法及其在各个领域的实际应用。最后，总结了基于水凝胶的太阳能驱动技术目前面临的技术挑战，并探讨了大规模实施的发展机遇和路径，为下一代基于水凝胶的太阳能驱动新兴领域的可持续发展提供了新的见解。
水-能源-环境中用于太阳能驱动技术的凝胶结构与性能
水凝胶的性能与其结构特性密切相关。深入理解结构-性能关系有助于精确控制性能，并促进具有定制功能的水凝胶的设计。这对于优化水凝胶性能和扩展其在水-能源-环境技术中的应用至关重要。
水-能源-环境中用于太阳能驱动技术的水凝胶的基本原理
基于水凝胶的太阳能驱动系统的核心在于光热转换和水蒸发机制的协同优化。具体而言，这项技术的高性能运行依赖于两个关键方面：高效收集太阳能并将其转化为可用热能（光热转换原理），以及水被传输和随后蒸发的完整过程表面改性
通过协同调节表面形态和功能化，表面改性策略有效增强了水凝胶的化学性能，从而提高了耐盐性、抗菌性能和光热转换效率。表面图案化的梯形海藻酸钠多孔水凝胶蒸发器中嵌入的CuS纳米颗粒产生局部温度梯度，而图案化结构加速了蒸发过程，形成盐分技术经济分析（TEA）
技术经济分析（TEA）是分析基于水凝胶的太阳能驱动技术在各种应用场景中的经济可行性的重要工具，从而明确了它们的市场竞争力和技术优势[227]、[228]。对于基于水凝胶的太阳能驱动系统的大规模实施，TEA考察了成本和收益等关键经济因素，并将其与其他水处理或能源利用技术进行比较，以提供决策依据设备集成与性能优化
在基于水凝胶的太阳能驱动系统中，大多数研究致力于开发高性能的太阳能蒸发器以提高水蒸发速率。同时，人们也越来越关注太阳能蒸发器的设计，以改善清洁水的产量。传统的单坡度冷凝装置因其结构简单和成本效益而被广泛采用结论与未来展望
凭借其独特的三维网络结构以及可调的湿度和光热性能，水凝胶材料已成为缓解全球水-能源-环境不平衡问题的多功能平台。在本综述中，我们对太阳能驱动的水凝胶应用进行了全面系统的分析，涵盖了材料特性、运行原理、设计优化和实际实施等关键方面。CRediT作者贡献声明
宁安：撰写——原始草案、方法论、研究、正式分析。张文轩：验证、软件、研究、数据管理。王鹏：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念构思。邱杰山：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论。李倩：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、正式分析。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。致谢
本工作得到了国家自然科学基金（U22A20423和52070121）的支持。本研究还得到了山东省泰山学者基金（编号tsqn202312039）和深圳市基础研究计划（JCYJ20240813101101002）的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
宁安是山东大学环境科学与工程学院的博士候选人。她的研究兴趣在于基于水凝胶的太阳能驱动系统，特别关注材料开发和机制探索。迄今为止，她已在权威期刊上以第一作者身份发表了五篇论文，包括《Advanced Functional Materials》和《Desalination》。
