發布時間：2024-12-06 13:51:53 人氣（qì）：0次
由於氣候退化、環境汙染和管理不善，淡水資源的稀缺已成為二十一世紀的（de）一個嚴重挑戰。收集由不同帶（dài）電液滴（dī）組（zǔ）成的霧水，是應對淡水危機的潛在方法（fǎ）之一。引入（rù）電荷來增加材料表麵電位，利用（yòng）帶電表（biǎo）麵和液滴之間的靜電（diàn）吸引力，可以（yǐ）有效提高捕獲效（xiào）率，從而實現高效收集霧水，包括靜電（diàn）紡（fǎng）絲和摩擦發電等技術。然而，通過（guò）引入電荷來增強靜（jìng）電吸引力的策略麵臨持久（jiǔ）性的問題。
東華大學（xué）蔡再生教授團隊采用濕法紡絲工藝，通過（guò）分子本征極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。由該纖維製成的豎琴收集器可實現1775 mg/(cm2·h)的集水效率，是傳統低表麵（miàn）電位、無潤濕梯度纖維收集器的2.6倍。該（gāi）研究為新一（yī）代霧收集纖（xiān）維材料（liào）的結構（gòu）設計和可控製備提供了新思路。
水滴自發帶電而產（chǎn）生（shēng）引力和聚結，是霧形成的重要原因。這種帶電（diàn）現象主要由圖1a中3個（gè）因素引起。(1)嵌入電荷：重力（lì）和氣流促進碰撞，使帶電粒子融（róng）入水（shuǐ）滴中；(2)電離電荷：水分子在蒸發和凝結過程中解離，產生質子（zǐ）和（hé）氫氧離子；(3)極化電（diàn）荷：水分子的極性造成內部（bù）電荷不平衡。
通常分子極性越大，其（qí）表（biǎo）麵電位越高，越有利於水分子（zǐ）的吸（xī）附。在聚合物中聚丙烯腈（PAN）重複（fù）單元的偶極矩較大（3.6 D），分（fèn）子極性較強，是製備高表麵電位纖維的理想材料。由於氰基的（de）電負性較大，且在（zài）製備過程中引起表麵極化，PAN纖維表麵呈現（xiàn）較高（gāo）的（de）負電位，從而與（yǔ）水分子產（chǎn）生強大的靜電（diàn）相互作（zuò）用，有（yǒu）助（zhù）於提高霧的捕獲效率（圖1b-e）。
圖1. 表麵電位驅動霧水收（shōu）集纖維的提出及設計原理：帶電液滴的形成；正（zhèng）負電荷液滴的數量對比；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示意圖
如圖2a所示，采用濕法紡絲工藝製備PAN纖維。隨（suí）著凝固浴堿性增強，PAN分子發生部分水解，導致原來的氰基轉化為羧基。此外，通過鹽酸羥胺處理在中性凝固浴中製備的PAN纖維可獲得表麵帶（dài）正電（diàn）位的纖維，從而有助於研究（jiū）正負電位對霧水（shuǐ）收（shōu）集的影響。改性PAN分子的表麵靜電勢極值點與原（yuán）始PAN分子的表（biǎo）麵靜（jìng）電勢極值點略有偏差。采用原位分子改性提（tí）高纖維表麵電位的絕對值或改變其極性，可確保（bǎo）纖維（wéi）電位（wèi）不受環境濕度波動的（de）影響。PAN-纖維比PAN+纖維具有更大（dà）的（de）柔性，使其（qí）適合纏繞、打結和其他應用。（圖2b-f）
圖2. 製備穩定和高（gāo）表麵電位的纖維：PAN-和PAN+製備示意圖及相關表征；纖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等測試手段進一步驗證了紡絲過程中PAN分子產生的變化（huà）。與PAN膜相比，通過濕紡製備的PAN纖維顯示出更多（duō）和更強烈的晶相峰，反映出它（tā）們更高的品相含量和（hé）更完整的品相形態。在熱（rè）重分析儀(TGA)測試中，PAN+纖維表現出最低（dī）的初始熱分解溫度和最高的總質量損失，PAN-纖（xiān）維緊隨其後，然後是PAN膜。與PAN+纖維相比，PAN-纖（xiān）維具有優越的熱穩定性（xìng）。隨著凝（níng）固浴的pH從3變為13，PAN纖維的表麵電（diàn）位逐漸升高。在鹽酸羥胺與腈基（jī）的反應中，PAN中腈基（jī）反應5 h後的（de）轉化率（CR）達到約78%，同時PAN纖維的表麵電位達到+41 mV（圖（tú）3i）。
圖（tú）3. 穩定高表麵電位纖維的表征：XRD; TGA; XPS等
高（gāo）效收集霧水（shuǐ）主要取決於有效（xiào）捕獲霧滴和快速傳輸定（dìng）向水。當基質表麵呈現高電位時，會對具有相（xiàng）反電位的霧滴（dī）產生強大的靜電（diàn）吸引力，從（cóng）而促進霧滴（dī）的捕獲（圖4a-c）。在收集霧水的測試中，表麵電位越高，水滴在纖維表麵的（de）聚集速度越快（圖4d）；過高的表麵電位可能會阻礙水滴的脫（tuō）落，從而（ér）導致收集效率下降。垂直放置纖維的水收集效率（WCR）大約是水平放置纖（xiān）維的1.5倍（圖4f-g），而且收集第一個水滴所需的時間大約（yuē）是水平放置纖維的三分之一。纖（xiān）維直徑對霧收集效率的（de）影響在400-1000m的（de）範圍（wéi）內，WCR與纖維直徑成比例增（zēng）加。對於帶正（zhèng）電的PAN纖維（wéi），隨（suí）著改性（xìng）時（shí）間的增加，表麵電位逐漸上升，水收集效率（WCR）逐漸增（zēng）加到751mg/(cm·h)（圖4h-i）。
圖4. 穩定高表麵電位纖（xiān）維（wéi）霧水收集工作機製及（jí）測試結（jié）果
通（tōng）過建立有利於自（zì）驅動定向水傳輸的潤濕性梯（tī）度，還增加了纖維表麵的（de）電位，這種表麵具有潤濕性梯度的纖維（Janus-PAN）能有效地（dì）將捕獲的水及時定向傳輸到收集器（qì），以（yǐ）重新暴（bào）露捕獲位點。由Janus-PAN纖（xiān）維製備的豎琴收集器的WCR達（dá）到1775 mg/(cm2·h)，分別是PAN、HB-PAN和Janus-PAN網格收集器的2.4、1.5和（hé）1.7倍。此外，Janus-PAN豎琴（qín）收集器的穩定性優異，如圖5所示。
圖5. Janus-PAN豎琴收集器的設計（jì）、性能測試及對比
在（zài）戶外測試中，Janus-PAN豎琴收集器也表現出良好的集水能力，收（shōu）集的水可用於農業灌溉和水產養殖。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（qì）的應（yīng）用
綜上，該工作開發（fā）了一種分（fèn）子限製誘導電位控製技術，使得材料表麵勢能在長時間內保持穩定，不受（shòu）濕度影響（xiǎng）。利用該（gāi）技術（shù）製備（bèi）的Janus-PAN纖維可（kě）同時實現（xiàn）霧水高效捕獲和水（shuǐ）分定向快速傳輸。但是，過高的表麵（miàn）電位可能會阻礙水滴的脫落，從（cóng）而（ér）導（dǎo）致（zhì）收（shōu）集效率下降（jiàng）。此外，驗證了Janus-PAN豎琴收（shōu）集器在農作物灌溉中的（de）廣泛適用性。這種新穎的霧水收集策略為非對稱潤（rùn）濕性界麵的流體管理提（tí）供了新的啟示。
原文鏈（liàn）接（jiē）：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00474-w
