發布時間：2024-12-06 13:51:53 人氣：0次
由於氣候退化、環境汙染（rǎn）和管理不善，淡水資源的稀缺已成為二十一世紀的一個嚴重挑戰。收集由不同帶電液滴組成的霧水，是應對（duì）淡（dàn）水危機的潛在方法之一。引入（rù）電荷來增（zēng）加材料表麵電位，利用（yòng）帶（dài）電表（biǎo）麵和液滴之（zhī）間的靜電吸引（yǐn）力，可以有效提高捕（bǔ）獲效率，從而實現高效（xiào）收集（jí）霧水，包括靜電紡絲和摩擦發電等技術。然而，通過引（yǐn）入電荷（hé）來增強（qiáng）靜電吸引力的（de）策略麵臨持久性的問題。
東華大學蔡再生教授團隊采用濕法紡絲工（gōng）藝，通過分子本征極（jí）性調（diào）控和潤濕性梯度（dù）設計，成功（gōng）製備了具有持久高表麵電（diàn）位的Janus-PAN纖維（wéi）。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（dī）表麵電位、無潤濕梯（tī）度纖（xiān）維收集器的（de）2.6倍。該研究為新一代（dài）霧收集纖（xiān）維材（cái）料的結構設計和可（kě）控製備提（tí）供了新思路。
水滴自發帶電而（ér）產生引力和聚結，是霧形成的重要原因。這種帶電現象主要由圖（tú）1a中（zhōng）3個因素引起。(1)嵌入電荷：重力和氣（qì）流促進碰撞，使帶電（diàn）粒子融入水滴中（zhōng）；(2)電離電荷：水分子在蒸發和凝結過程中解離，產生質（zhì）子和氫氧離子（zǐ）；(3)極（jí）化電荷：水分子的極性造成內部電荷（hé）不平衡。
通常分子極性越大，其表麵（miàn）電位越（yuè）高，越有利於水分子的（de）吸附。在聚合物中聚丙烯腈（PAN）重複單元的偶極矩較大（3.6 D），分（fèn）子極性較強，是製備高表麵（miàn）電位纖維的理（lǐ）想材料。由於氰基的電（diàn）負性較大（dà），且在製備過程中引起表麵極化，PAN纖維表麵呈現較（jiào）高的負（fù）電位，從（cóng）而與水分子產生強大的靜電（diàn）相互作用，有助於提高霧的捕獲（huò）效率（圖1b-e）。
圖（tú）1. 表麵電位驅動霧水收集纖維的提（tí）出及（jí）設計原理：帶電液滴的（de）形成；正負電荷液滴的數量對比；不同聚（jù）合物的表麵靜電勢及偶極矩；高表麵電位纖維的霧水（shuǐ）收集示意圖
如圖2a所示，采用濕法紡絲工藝（yì）製（zhì）備PAN纖（xiān）維（wéi）。隨著凝固浴堿性增強，PAN分子發生部分水（shuǐ）解，導致原來的氰基轉（zhuǎn）化為羧基。此外，通過鹽酸羥胺（àn）處理在中性（xìng）凝固浴（yù）中製備的PAN纖維（wéi）可獲得表麵帶正（zhèng）電位的纖維，從而有助於研究（jiū）正負電位對霧水收集的影響。改性PAN分子的表麵靜電勢極值點與原始PAN分子的表麵靜電勢極值點略有（yǒu）偏差。采用原位分子改（gǎi）性提高纖維表麵電位的絕對值或改變其（qí）極性，可確保纖（xiān）維電位不受環境濕度波動的影響。PAN-纖維比（bǐ）PAN+纖維具有更大的柔性，使其適合纏繞（rào）、打結和其他（tā）應用。（圖2b-f）
圖2. 製備穩定（dìng）和高表麵（miàn）電（diàn）位的纖維：PAN-和（hé）PAN+製（zhì）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，采用（yòng）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。與PAN膜相比，通過（guò）濕紡製備的（de）PAN纖維顯示出更多和更強烈的晶相峰，反映出它們更高的品相（xiàng）含量（liàng）和更完整的（de）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（wéi）緊隨其後，然後是（shì）PAN膜。與PAN+纖維相比，PAN-纖維（wéi）具有優越的熱穩定性。隨著凝固浴的pH從3變為13，PAN纖維的表麵電位逐漸升高。在鹽酸羥胺與腈基的反應中，PAN中腈基（jī）反應5 h後的轉化（huà）率（CR）達到（dào）約（yuē）78%，同時PAN纖維的表麵電位達到+41 mV（圖（tú）3i）。
圖3. 穩（wěn）定高表麵電位纖維（wéi）的表征：XRD; TGA; XPS等（děng）
高效收集霧水主要取（qǔ）決於有效（xiào）捕（bǔ）獲霧滴和快速傳輸定向水。當基質表麵呈現高電位時，會對具有相反（fǎn）電位的（de）霧（wù）滴產生強大（dà）的（de）靜電吸引（yǐn）力，從而促（cù）進霧滴的捕獲（圖4a-c）。在收集霧水的測試中，表麵（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脫（tuō）落，從而導致收集效率下降。垂直放置纖維的水收集效率（WCR）大約是水平放置纖維的1.5倍（圖4f-g），而且收集第一個水滴（dī）所需的時間大約是水平放置纖（xiān）維的三分之一。纖（xiān）維直徑對（duì）霧（wù）收集效率的影響在400-1000m的範圍內，WCR與纖維直徑成比例（lì）增加。對於帶（dài）正電的PAN纖維，隨著改性時間的增加，表麵電位逐漸上升，水收集效率（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動定向水（shuǐ）傳輸的潤濕性梯度，還增加了纖維（wéi）表麵的電位，這種表麵（miàn）具有潤濕性梯度的纖維（Janus-PAN）能有效地將捕獲的水（shuǐ）及時定向傳輸到收集器，以重新（xīn）暴露捕獲位點。由Janus-PAN纖維製備的豎琴收（shōu）集器的WCR達到1775 mg/(cm2·h)，分別（bié）是（shì）PAN、HB-PAN和Janus-PAN網格收集器的2.4、1.5和1.7倍。此（cǐ）外，Janus-PAN豎琴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
在戶（hù）外測（cè）試中，Janus-PAN豎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和水（shuǐ）產養殖。與其他材料相比，Janus-PAN豎琴具有良好的（de）使用性能和（hé）較低的生（shēng）產（chǎn）成本（圖6）。
圖6. Janus-PAN豎（shù）琴收集器的應用
綜上，該工作開發（fā）了一種分（fèn）子限製誘導電位控（kòng）製技術（shù），使得材料表麵勢能在長時間內保持穩定，不（bú）受濕度影響。利用該技術製備（bèi）的Janus-PAN纖維可同時實現霧水高效（xiào）捕獲和水分定向快速傳輸。但是，過高的表麵電位可能（néng）會阻礙水滴的脫落，從而導致收集效率下降。此外，驗證了Janus-PAN豎琴收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的（de）流體管理提供了新的啟示。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00474-w
