發布（bù）時間：2024-12-06 13:51:53 人氣：0次
由於（yú）氣（qì）候退化、環境汙染和管理不善（shàn），淡水資（zī）源的（de）稀缺已成為（wéi）二十一世紀（jì）的一個嚴重挑戰。收（shōu）集由不同帶電液（yè）滴組（zǔ）成的霧水，是應對淡水危機的潛在方法之（zhī）一。引（yǐn）入電（diàn）荷來增加材料表麵電位，利用帶（dài）電表麵和（hé）液滴之間的靜電吸引（yǐn）力，可以（yǐ）有效提高捕獲效（xiào）率，從而實現高效收集霧水，包括靜電紡絲和摩擦發電等（děng）技術。然而，通過引入（rù）電荷來增強靜電吸引力的策略麵臨持久性的問題（tí）。
東華大學蔡再生教授團隊（duì）采用（yòng）濕法紡絲（sī）工藝，通（tōng）過分子本征極性調控和潤濕性梯度設計（jì），成功製（zhì）備（bèi）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（qì）可（kě）實現1775 mg/(cm2·h)的集水（shuǐ）效率，是傳統低表麵電位、無潤濕梯度纖維收集（jí）器的2.6倍。該研究為新一（yī）代霧收集（jí）纖維材料的結構設計和可控製備提供了新思路。
水滴自發帶電而產生（shēng）引力和聚結，是霧（wù）形成的重要（yào）原因。這種帶電現象主要由圖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（diàn）粒子融入水滴中；(2)電離電荷：水分子在蒸發（fā）和凝結過程（chéng）中解（jiě）離，產生質（zhì）子和（hé）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（xìng）越大，其（qí）表麵電位越高，越有利於（yú）水分子的吸附。在聚合物中聚丙烯腈（PAN）重複（fù）單元的偶極矩較大（dà）（3.6 D），分子極性較強，是製備高表麵電位纖維的理想材料。由（yóu）於氰基（jī）的電負性較大，且在製（zhì）備過程中引起表麵極化，PAN纖維表麵呈（chéng）現較高的負電位，從（cóng）而與水分（fèn）子產生強大的靜電相互作用，有助於提高（gāo）霧的捕獲效率（圖1b-e）。
圖1. 表麵電（diàn）位驅動霧水收集纖維的提出及設計（jì）原理：帶電液滴的形成；正負電荷（hé）液（yè）滴（dī）的數量對比；不同聚合物的表麵靜電勢及偶極矩；高表麵電（diàn）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（wéi）。隨著凝（níng）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（àn）處理在中（zhōng）性凝固浴（yù）中製備的PAN纖維可獲得表（biǎo）麵帶正電位的（de）纖維，從而有助於研（yán）究正負電位對霧水（shuǐ）收集的影響。改性PAN分子的表麵靜電勢極（jí）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（yuán）位分子改性（xìng）提高纖維表麵電位的絕對值或（huò）改變其極性，可確保纖（xiān）維電位不受環境濕度波動的影（yǐng）響。PAN-纖維（wéi）比PAN+纖維具有更大的柔性，使其（qí）適合（hé）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（bù）分機械性能測試及實（shí）物照片
圖3（a-f）所示，采（cǎi）用XRD、FTIR、XPS等測試手段（duàn）進一步驗證了紡絲過程中PAN分子產生的變化。與（yǔ）PAN膜相比，通過（guò）濕（shī）紡（fǎng）製備（bèi）的PAN纖維顯示出更多（duō）和更強烈的晶相峰，反映出它們（men）更高的品相含量和更完整的品相形態。在熱重分（fèn）析儀(TGA)測試中，PAN+纖（xiān）維表現出最（zuì）低的初始熱分解溫度和最高的總質量損失，PAN-纖維（wéi）緊隨（suí）其後，然後是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（biàn）為13，PAN纖維（wéi）的表麵電位逐漸升（shēng）高。在鹽（yán）酸羥胺（àn）與腈基（jī）的反應中，PAN中腈基反應5 h後的轉化（huà）率（CR）達到約78%，同時PAN纖（xiān）維的表麵電位（wèi）達到+41 mV（圖3i）。
圖3. 穩定高表麵（miàn）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（sù）傳輸定向水。當基質表麵呈現高電（diàn）位時，會對具有相反（fǎn）電位的霧滴產（chǎn）生強大的靜電（diàn）吸引力，從而促進霧滴的捕獲（圖4a-c）。在收集（jí）霧（wù）水的測（cè）試中，表麵電位越高，水滴（dī）在纖維表麵的聚集速度越快（圖（tú）4d）；過高的表麵電位（wèi）可能會阻礙水滴的（de）脫落，從而導致收集效率下降。垂直放（fàng）置纖維的水收（shōu）集效率（lǜ）（WCR）大約是水平（píng）放置（zhì）纖（xiān）維的1.5倍（圖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。纖維直徑對霧收集效率的影響在400-1000m的範圍內，WCR與纖維直徑成比例增加。對於帶正電的PAN纖維（wéi），隨著（zhe）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（shuǐ）收集工作機製（zhì）及測試結果
通過建立有利（lì）於自驅動定向水傳輸的（de）潤濕性（xìng）梯度，還增加了纖（xiān）維表（biǎo）麵的電位，這種表（biǎo）麵具有潤濕性梯度的纖維（Janus-PAN）能有效地將捕獲的水及時定向傳輸到收集器，以重新暴露捕獲（huò）位點。由（yóu）Janus-PAN纖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1.7倍。此外，Janus-PAN豎琴收集（jí）器（qì）的穩定性優異，如圖5所示。
圖5. Janus-PAN豎琴收集器的設計、性能測試及對比
在戶外測試中，Janus-PAN豎琴收集器（qì）也表現出良好的集水能力，收集（jí）的水可用於農業灌溉和水產養殖。與其他材料（liào）相比，Janus-PAN豎琴具有良好（hǎo）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（le）一種分子限製誘導電位控製技術（shù），使（shǐ）得材料表麵勢能在長時間內保持穩定，不（bú）受濕度影響（xiǎng）。利用該技（jì）術製備的Janus-PAN纖維（wéi）可（kě）同時實現霧水高效捕獲和水分定向快速傳輸（shū）。但是（shì），過高的（de）表麵電位可能會阻礙水滴（dī）的脫落，從而導（dǎo）致收集效率下降。此外，驗證了Janus-PAN豎琴收集器在農作物灌（guàn）溉中的廣泛適用性。這種新穎的霧水收集策略為非對（duì）稱潤濕性界麵的流體管理提供了（le）新的啟示。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00474-w
