發布時（shí）間：2024-12-06 13:51:53 人氣：0次
由於氣（qì）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一（yī）個嚴重挑戰。收集由不同帶電液滴組（zǔ）成的霧水，是應對淡水危機的潛在方法之一。引入電荷來增加材料（liào）表麵電位，利用帶電表麵和液滴之間的靜電（diàn）吸引力，可（kě）以有效（xiào）提高捕獲效率，從而實現高效收集（jí）霧水，包括靜電紡絲和摩擦發電等（děng）技術。然而（ér），通過引（yǐn）入電荷來增強靜電吸引力的（de）策略麵臨持久性的問題（tí）。
東華大學蔡再生教授團隊采用濕法紡絲工藝，通過分子本征極性調控和潤濕性梯度（dù）設計，成功製備了具有持久高表麵（miàn）電（diàn）位的Janus-PAN纖（xiān）維。由該（gāi）纖維製成（chéng）的豎琴收集器可實現1775 mg/(cm2·h)的集（jí）水效率，是傳統低表麵電位、無潤濕梯度纖（xiān）維收（shōu）集器的2.6倍（bèi）。該研（yán）究為（wéi）新一代霧收（shōu）集纖維材料的結構設計和可控製備提（tí）供了新思路。
水滴自（zì）發帶電而（ér）產生引力和聚結，是（shì）霧形成的重要原（yuán）因。這種帶電現象（xiàng）主要由圖1a中3個因素引起。(1)嵌入電荷：重力和氣流促進碰撞，使帶電粒（lì）子融入水滴中；(2)電離電荷：水分（fèn）子在蒸（zhēng）發和凝結（jié）過程中解離，產生質子和氫氧離子；(3)極化電荷：水分子的極性造成（chéng）內部電荷不平衡。
通常分（fèn）子極（jí）性越大，其表麵電位越高，越有利於水分（fèn）子的吸附。在聚（jù）合物中聚丙烯腈（PAN）重複單元的偶極矩（jǔ）較大（3.6 D），分（fèn）子極性較強，是製備高表麵電（diàn）位纖維的理想材料。由於氰（qíng）基的電負性較大，且在製備過程中引起（qǐ）表麵極化，PAN纖維表（biǎo）麵呈現較高的負電位，從而（ér）與水分子產生強大的靜電相互作（zuò）用，有助於提（tí）高（gāo）霧的（de）捕獲效率（圖1b-e）。
圖1. 表麵電位驅動霧水收集纖維的提（tí）出（chū）及設計（jì）原理：帶電液滴的形成；正負電荷液滴的數量對比；不同聚合物（wù）的表麵靜電勢及偶極矩；高表麵電位纖維的霧（wù）水收集示意圖
如（rú）圖2a所示，采用濕法紡絲工藝製備PAN纖維。隨著凝固浴堿性增強，PAN分子發生部分水解，導（dǎo）致原來的氰基轉（zhuǎn）化為羧基。此外，通過（guò）鹽酸羥胺處理在中性凝固浴中製備的PAN纖維可獲得表麵帶正電位的纖維，從而有助於（yú）研究正（zhèng）負電位對霧水收集的影（yǐng）響（xiǎng）。改（gǎi）性PAN分子的表麵靜電勢極值點與原始PAN分子的（de）表麵靜電勢極值點略有偏差。采用原位分（fèn）子改性提高纖維表麵電位的絕對值或改變其極性，可確保纖（xiān）維電位不受環境（jìng）濕度波動的影響。PAN-纖維比PAN+纖維具有更大的柔性，使其適（shì）合纏（chán）繞、打結（jié）和其他應用。（圖2b-f）
圖2. 製備穩定和高（gāo）表麵（miàn）電位的纖維：PAN-和PAN+製備示意圖及相關表征；纖維部分機（jī）械性能測試及實物照片
圖3（a-f）所示，采用XRD、FTIR、XPS等測試手（shǒu）段進一步驗證了紡絲過程中PAN分子產生的變化。與PAN膜相比，通過濕紡製（zhì）備的PAN纖維顯示（shì）出更（gèng）多和更強烈的（de）晶相峰，反映出它們更高的品相含量和更完整的品相形態。在熱重分析儀(TGA)測試中，PAN+纖維表現出最低的初始熱分解溫度和最高的總質量損失，PAN-纖維緊隨其後，然後是（shì）PAN膜。與PAN+纖維相比，PAN-纖維具有優越的熱穩定性。隨著凝固浴的（de）pH從3變為13，PAN纖維的表麵（miàn）電位逐漸升高。在鹽酸羥（qiǎng）胺與腈基的反應中，PAN中（zhōng）腈基反（fǎn）應5 h後的轉化率（CR）達到約（yuē）78%，同時PAN纖維的表麵（miàn）電位達到+41 mV（圖3i）。
圖3. 穩定高表麵電位纖維（wéi）的表（biǎo）征：XRD; TGA; XPS等
高效（xiào）收集霧水主要取決於有效（xiào）捕獲霧滴和快速傳輸定向水（shuǐ）。當基質（zhì）表麵呈現高電位時（shí），會對具有相反（fǎn）電位的霧滴產生強大的靜電吸引力（lì），從而促進霧滴的捕獲（圖4a-c）。在（zài）收集霧（wù）水的測試中，表（biǎo）麵（miàn）電位越高，水滴在纖維表麵的聚集速度越快（圖4d）；過高的表麵電位可能會阻礙水滴的（de）脫落（luò），從（cóng）而導致收集效率下降。垂直放（fàng）置（zhì）纖維的水收集效率（WCR）大約是（shì）水平放置纖維（wéi）的1.5倍（圖（tú）4f-g），而且收集第一個水滴所需的（de）時間大約是水平放置纖維的三分之一。纖維直（zhí）徑（jìng）對霧收集效率的影響在400-1000m的範（fàn）圍內，WCR與纖維直徑成比例（lì）增加。對於帶正電的PAN纖維，隨著改性時（shí）間（jiān）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. 穩定高表麵電位纖維霧水（shuǐ）收集工作機製及測試結果
通過建立有利於自驅動定向水傳輸的潤濕性梯度，還（hái）增加了纖維表麵的電位，這種表（biǎo）麵具（jù）有潤濕（shī）性梯度（dù）的纖維（Janus-PAN）能有效（xiào）地將捕獲的水及（jí）時定向傳輸到收集器，以重新暴露捕獲位點。由Janus-PAN纖（xiān）維製備的豎琴收集器的WCR達到1775 mg/(cm2·h)，分別是（shì）PAN、HB-PAN和Janus-PAN網格收（shōu）集器的（de）2.4、1.5和1.7倍。此外，Janus-PAN豎琴（qín）收集器的穩定性優異，如（rú）圖5所示。
圖5. Janus-PAN豎琴收集（jí）器的設計、性能測試及對比
在戶外測試中，Janus-PAN豎（shù）琴收集器也表現出良好的集水能（néng）力，收集的水可用於農業灌溉（gài）和水產養（yǎng）殖。與其他材料相比，Janus-PAN豎（shù）琴具有（yǒu）良好的使（shǐ）用性（xìng）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（gāi）工作（zuò）開發了一種分子限製誘導電位控製技術，使得材料表麵勢能在長（zhǎng）時間（jiān）內（nèi）保持穩定，不受濕度影響。利用該技術製備的Janus-PAN纖維可（kě）同時實現霧水高效捕獲（huò）和水分定向快速傳輸。但是，過高的表（biǎo）麵電位可能會阻礙水滴的脫落，從而（ér）導致（zhì）收集效率下降。此外，驗證了Janus-PAN豎琴收（shōu）集器在農作物灌溉中的廣泛適用性。這種新穎的霧水收集策略為非對稱潤濕性界麵（miàn）的流體管理提供了新的啟示。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00474-w
