近日，同济大学物理科学与工程学院王晓栋、沈军团队联合瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）赵善宇研究员，受自然界生物演化形成的多相协同与功能适应规律启发，提出了一种“进化驱动”的生物质复合气凝胶设计策略。研究团队仅利用壳聚糖（CTS）和三价金属氯化物（MCl₃,M=Al,V,Cr,Fe）两种组分，通过分子尺度配位组装构筑了CTS-M复合气凝胶。该材料具有湿度自适应热调控能力，并可进一步碳化转化为高性能储能电极材料，为生物质复合气凝胶的多功能设计提供了新的思路。相关成果以“Evolution-Driven Bio-Composite Aerogels for Self-Adaptive Thermal Regulation and Energy Storage”为题发表于材料领域国际学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）。

自然界中，多相组分协同赋予生物优异的环境适应能力，为人工功能材料设计提供了重要启发。气凝胶具有低密度、高孔隙率和结构可调等特点，是构筑多功能材料的重要载体。然而，传统有机气凝胶和无机气凝胶各具优势与不足，现有复合策略往往依赖复杂组分引入和多步后处理工艺，限制了材料设计的普适性与可拓展性。因此，发展简单、高效且具有普适性的有机—无机复合气凝胶设计与构筑策略具有重要意义。   

借鉴纳米布沙漠甲虫高效雾水捕集机制，研究团队将具有吸湿特性的三价金属氯化物引入壳聚糖体系，通过一锅法构筑了CTS-M生物质复合气凝胶。其中，金属氯化物既提供酸性环境促进壳聚糖溶解，又作为水分捕获单元和配位中心参与壳聚糖网络构筑；壳聚糖则提供类似天然几丁质的三维多孔支撑骨架，两者协同形成有机-无机复合网络。经氮气气氛高温碳化后，CTS-M可转化为碳/金属氧化物复合气凝胶（C-M₂O₃）。这一设计使同一前驱体体系能够衍生出分别用于湿度自适应热调控和锌离子储能的功能材料，为多功能气凝胶的设计与构筑提供了新的思路。                   

面向动力电池热安全防护，CTS-M气凝胶可随环境变化在“湿态柔性缓冲”和“干态隔热防护”两种状态之间切换：在常温常湿环境下，材料吸湿后转变为柔性缓冲状态；受热脱水后，则转变为兼具结构支撑与隔热防护能力的干态。实验结果表明，CTS-M气凝胶吸湿后可承受80%压缩应变而不断裂，并在110°C热板和−196°C冷板测试中均表现出优异的隔热性能，展现出在动力电池热安全防护中的应用潜力。

经高温碳化后获得的C-M₂O₃复合气凝胶展现出优异的电化学储能性能。以C-V₂O₃复合气凝胶为正极组装的水系锌离子电池表现出优异的综合性能，在0.1 A g^–1电流密度下比容量可达341 mAh g^–1，在5 A g^–1下循环10000次后容量保持率仍达到85%。进一步构筑的Zn//gelatin//C-V₂O₃准固态锌离子电池同样表现出良好的器件化应用潜力，串联后电压窗口可拓展至约4.0 V，并成功点亮20个LED灯。

同济大学物理科学与工程学院博士研究生张晓雪为论文第一作者，王晓栋副教授和瑞士EMPA赵善宇研究员为论文共同通讯作者。对论文作出重要贡献的合作者还包括同济大学沈军教授、张志华副教授和瑞士苏黎世联邦理工学院曾建平博士等。该研究工作得到上海市自然科学基金项目资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73935