發布時間：2024-12-06 13:51:53 人氣：0次
由於氣（qì）候（hòu）退化（huà）、環（huán）境汙染和管理不（bú）善，淡（dàn）水資源的稀缺已成為二十（shí）一世（shì）紀的一個嚴（yán）重挑戰。收集由不同帶電液滴組成的霧水，是應對淡水危（wēi）機的潛在方（fāng）法之一。引入電荷來增加材料表麵電位（wèi），利用帶電表麵和液滴之間的靜電吸（xī）引力，可以有效提高捕獲效率，從而實現高效收集霧水，包括靜電紡絲和摩擦發（fā）電等技術。然而（ér），通過引入電荷來增強靜電吸引力的策略麵臨持久性的（de）問題。
東華大學蔡再生教授團隊采用濕法紡絲工藝，通過分子本征極（jí）性調控和潤濕性梯度設計，成功製備了具有持久高表麵電位的Janus-PAN纖維。由該（gāi）纖維製成（chéng）的豎琴（qín）收集器可實現1775 mg/(cm2·h)的集水效率，是（shì）傳統低表麵電（diàn）位、無（wú）潤濕梯度纖維收集器的2.6倍。該研究為新一代霧收集纖（xiān）維材料的結構設計和（hé）可控製備提供了新思路。
水滴自發（fā）帶電而產生（shēng）引力和聚結，是霧形成的重要原（yuán）因。這種帶（dài）電現象主要由（yóu）圖1a中3個因素引起。(1)嵌入電荷：重力和氣流促進（jìn）碰撞，使帶電粒子（zǐ）融入（rù）水滴中；(2)電離電荷：水分子在蒸發和凝結過程中解（jiě）離，產（chǎn）生質子和氫氧離子；(3)極化電荷：水分子的極性造成內部電荷不平衡。
通常分子極性越大，其（qí）表麵電位越（yuè）高，越有利於水分子（zǐ）的吸附。在（zài）聚合物中聚丙烯腈（PAN）重（chóng）複單元的偶極矩較大（3.6 D），分子極性較強（qiáng），是製備高表麵電（diàn）位纖維的理想材料。由於氰基的（de）電負性較（jiào）大，且在製備過（guò）程中引起表麵極化，PAN纖維表麵呈現較高的負（fù）電位，從而與水（shuǐ）分（fèn）子產生強大的靜電相互作（zuò）用，有助於提高霧的捕獲效率（圖1b-e）。
圖1. 表（biǎo）麵電位驅動（dòng）霧水收（shōu）集（jí）纖維的提出（chū）及設計原理：帶電液滴的形成；正負電（diàn）荷液滴的數量（liàng）對比；不同聚合物的表麵（miàn）靜電勢及偶極矩；高表麵電位纖維的霧水收集（jí）示意圖
如圖（tú）2a所示，采用（yòng）濕法紡絲工（gōng）藝（yì）製備PAN纖維（wéi）。隨著凝固浴堿性增強，PAN分子發生部分水解，導致（zhì）原來的氰基轉化為羧基。此外，通過鹽酸羥胺（àn）處理在中性凝固浴中製備的PAN纖維（wéi）可獲得表麵（miàn）帶正電位的纖維，從（cóng）而有助於研究正負電位對霧水收（shōu）集的影響。改性PAN分子的表麵靜（jìng）電（diàn）勢極值點與原始PAN分子的表麵靜電勢極（jí）值點略有偏差。采用原（yuán）位（wèi）分子改性提高纖維表（biǎo）麵電位的絕對值或改變其極性，可確保纖維電位不受環境濕（shī）度波動的影響。PAN-纖維比PAN+纖維具有更大的（de）柔性，使其適合纏繞、打結（jié）和其他應用。（圖2b-f）
圖（tú）2. 製備穩定和高表麵電位（wèi）的纖維：PAN-和PAN+製備（bèi）示意圖及相關表征；纖（xiān）維部分機械性能測試（shì）及實物照片
圖3（a-f）所示（shì），采用XRD、FTIR、XPS等測試手段進（jìn）一步驗證了紡絲過程中PAN分子產（chǎn）生的變化。與PAN膜相比，通過濕紡製備的（de）PAN纖維顯（xiǎn）示出更多和更（gèng）強烈的晶相峰，反映出它們更高的（de）品相含量和更完整的品相形態。在熱重（chóng）分析儀(TGA)測試中，PAN+纖維表現出最低的初始熱分解（jiě）溫度和最高的（de）總質（zhì）量損（sǔn）失（shī），PAN-纖維緊隨（suí）其後，然後（hòu）是PAN膜。與PAN+纖維相比，PAN-纖維具有優（yōu）越的熱（rè）穩（wěn）定性。隨著凝固浴的pH從（cóng）3變為13，PAN纖維的表麵電位逐漸（jiàn）升（shēng）高。在鹽酸羥胺與腈基的反應中，PAN中腈基反應5 h後的轉化率（CR）達到約78%，同時PAN纖維的表麵電位達到+41 mV（圖3i）。
圖3. 穩定高表麵電位纖維的表征：XRD; TGA; XPS等
高效收集霧水主要取決於（yú）有效捕獲霧滴和快速傳輸定向水。當基質（zhì）表麵呈現高電（diàn）位時，會對具有（yǒu）相反電位（wèi）的霧（wù）滴產生強大的靜電吸（xī）引力，從而促進霧（wù）滴的捕獲（圖4a-c）。在收集霧水的測試中，表麵電位（wèi）越高，水滴在纖維表麵的聚集速度越快（圖4d）；過高的表（biǎo）麵電位可能（néng）會阻礙水滴的脫落，從而導致收集效（xiào）率下降。垂直放置（zhì）纖維的水收集效（xiào）率（WCR）大約（yuē）是水平放置纖維的1.5倍（圖4f-g），而且（qiě）收集第（dì）一個（gè）水滴所（suǒ）需的時間大約是水平放置纖維的三分之一。纖維（wéi）直徑對霧收集效率的影響在400-1000m的範圍內，WCR與纖維直徑（jìng）成比例增加。對於帶正電的PAN纖維，隨著改性時間的增加，表麵（miàn）電位逐漸上升，水收集（jí）效率（WCR）逐漸增加到751mg/(cm·h)（圖4h-i）。
圖4. 穩定高表麵電位纖維霧水收集工作機製及測試結果
通過建立有利於自驅（qū）動定向水傳輸的潤濕性梯度，還增加了纖維表麵的電（diàn）位，這種表麵具有潤（rùn）濕性（xìng）梯度的纖維（Janus-PAN）能有效地將捕（bǔ）獲的水及時定（dìng）向傳輸到收集器，以重新暴露捕獲位點。由Janus-PAN纖維（wéi）製備的豎琴收集（jí）器（qì）的（de）WCR達到1775 mg/(cm2·h)，分別是PAN、HB-PAN和Janus-PAN網格收（shōu）集器的2.4、1.5和1.7倍。此外，Janus-PAN豎琴收集（jí）器的穩定性優異，如圖5所示（shì）。
圖5. Janus-PAN豎琴收集器的設計、性能（néng）測試及對比
在戶外測試中（zhōng），Janus-PAN豎琴收集器（qì）也表現出良好的集水能（néng）力，收集（jí）的水可用於農業（yè）灌溉和水產養殖。與其他材料相比，Janus-PAN豎琴具有良好的使用性能和較低的生產成本（圖6）。
圖6. Janus-PAN豎琴收集器的應用
綜上，該工作開發了一（yī）種分子（zǐ）限（xiàn）製誘導電位（wèi）控製技（jì）術，使得材料表麵勢能（néng）在長時間內保持穩定，不受濕度影響。利用該技術製（zhì）備的Janus-PAN纖維可同（tóng）時實現霧水高效捕獲和水分定（dìng）向快速傳輸。但是，過高的表麵電位可能會阻礙水滴的脫落，從（cóng）而導致收（shōu）集效率下降。此外，驗證了Janus-PAN豎琴收集器在農（nóng）作（zuò）物灌溉中的廣泛適用性。這種（zhǒng）新穎的霧水收集策略為非對稱潤濕性界麵的流（liú）體管理提供了新的啟示。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00474-w
