發布時間：2024-12-06 13:51:53 人氣：0次
由於氣候退化、環境汙染和管理不善，淡（dàn）水（shuǐ）資源的稀缺已成為二十一世紀的一個嚴重挑戰。收集（jí）由不同帶電液滴組成的霧水（shuǐ），是應對淡水危機的潛（qián）在方法之一。引入電荷來增加材料表麵電位，利用帶電表麵和液滴之間的靜電吸引力，可以有（yǒu）效提高捕（bǔ）獲效率（lǜ），從而實現高效收集霧水，包括靜電紡絲和摩（mó）擦發電等技術。然而，通過引入電荷來增強靜電吸引力（lì）的策略麵（miàn）臨持久性的問題。
東華大學蔡再生教授團隊采用濕法紡絲（sī）工（gōng）藝，通過分子本征極性調控（kòng）和潤濕性梯度設計，成功製備了具（jù）有持（chí）久高（gāo）表麵電位的Janus-PAN纖維。由該纖維製成的豎琴收集器可實現（xiàn）1775 mg/(cm2·h)的（de）集水效率，是傳統低（dī）表麵電位（wèi）、無潤（rùn）濕梯度纖維收（shōu）集器的2.6倍。該研究為新一代霧（wù）收集纖維材料的結構設計和可控製備提供了新思路。
水滴自發（fā）帶電而產生引力和聚結，是霧形成的重要原因。這種帶電現象主要由（yóu）圖1a中3個因素引（yǐn）起。(1)嵌入電荷：重力和氣流促進（jìn）碰撞，使帶電粒子融入水滴中；(2)電離電（diàn）荷：水分子在蒸發和凝結過程中解離，產生質子和氫氧離子；(3)極化電荷：水分（fèn）子的（de）極性造成內部電荷不平衡。
通常分子極性越大，其表麵電位越高，越有利（lì）於水分子的吸附。在聚合物中聚丙烯腈（jīng）（PAN）重複單元的偶極矩較大（3.6 D），分子極性較強，是製備高表麵電位纖維的理（lǐ）想材料。由於氰基的電負性較大，且在製備過程中引（yǐn）起表麵極化，PAN纖維表麵呈現較高的負電位，從而（ér）與水分子產生強（qiáng）大的靜電相互作用，有助於提高（gāo）霧（wù）的（de）捕（bǔ）獲效率（圖1b-e）。
圖1. 表麵電位驅（qū）動霧（wù）水收集纖維的提出及設計原理：帶電液滴的形成；正負（fù）電荷液（yè）滴的數量對比；不同聚合物的表麵靜電（diàn）勢及（jí）偶極矩；高（gāo）表麵（miàn）電位纖維的霧水收集示（shì）意圖
如圖2a所示，采用濕法紡絲工藝製備PAN纖維。隨著凝固浴堿性（xìng）增強，PAN分子發生部分水解，導致原來的氰基轉化為羧（suō）基。此外，通過鹽（yán）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，從而有助於研究正負電位對霧水收集（jí）的影響。改（gǎi）性PAN分子的表麵（miàn）靜電勢極值點與原始PAN分子的表麵靜電勢極值點略有偏差。采用原位（wèi）分子改性（xìng）提高纖（xiān）維表麵（miàn）電位的絕對（duì）值或改變其極性，可確保纖維電位不受環（huán）境濕度波動（dòng）的影響。PAN-纖維比（bǐ）PAN+纖維具有更（gèng）大的柔性，使其適合纏繞（rào）、打結和（hé）其他應用。（圖2b-f）
圖2. 製備穩定和高表麵電位（wèi）的纖維（wéi）：PAN-和PAN+製備示（shì）意（yì）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等測試手段進一步驗證了紡絲過（guò）程中（zhōng）PAN分（fèn）子（zǐ）產生的變化。與PAN膜相比，通過濕紡製備的PAN纖維顯示出更（gèng）多和更（gèng）強（qiáng）烈的晶相峰，反映出它們更高的品相含量和更完整的品相形態（tài）。在熱重分（fèn）析儀(TGA)測試中，PAN+纖維表現出（chū）最低的初始熱分解溫度和最高的（de）總質量損失，PAN-纖維緊（jǐn）隨其後（hòu），然（rán）後（hòu）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變為13，PAN纖維（wéi）的表麵電位逐漸（jiàn）升高（gāo）。在鹽酸羥胺與腈基的反應中，PAN中腈基反應5 h後的轉化（huà）率（CR）達到約78%，同時（shí）PAN纖維的表麵電位達到+41 mV（圖（tú）3i）。
圖3. 穩定高表麵電位纖維的（de）表征：XRD; TGA; XPS等
高效收集霧水主要取決於有效捕獲霧滴和快速傳輸定（dìng）向（xiàng）水。當基質表麵呈現高電位時，會對具有相反電位的霧滴（dī）產生（shēng）強大的靜電吸引力，從而促進霧滴的捕獲（圖4a-c）。在收（shōu）集霧水的測試（shì）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（biǎo）麵電位可能會阻礙水滴的（de）脫落，從而導致收集效率下降。垂直放置纖維的水收（shōu）集效率（WCR）大約（yuē）是水平放置纖維的1.5倍（圖4f-g），而且收集第（dì）一個水滴所需的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（duì）於帶正電的PAN纖維，隨（suí）著改（gǎi）性時間的增加，表麵電位逐漸上升，水收集效率（WCR）逐漸（jiàn）增加到751mg/(cm·h)（圖4h-i）。
圖4. 穩定高表麵（miàn）電位（wèi）纖維霧水收集（jí）工作機製及測試結（jié）果
通過建立有（yǒu）利（lì）於自驅動定向水傳輸的潤濕性梯度，還增加了纖維表（biǎo）麵的電位，這種表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（dìng）向傳輸到收集器（qì），以重新暴露捕獲位點。由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（gé）收集器的2.4、1.5和（hé）1.7倍。此外，Janus-PAN豎琴收集器的穩定性優異，如圖5所（suǒ）示。
圖5. Janus-PAN豎琴收集器的設計、性能測試及（jí）對比
在戶外測試中，Janus-PAN豎琴收集（jí）器也表現出良好的集水能力，收集的水可用於（yú）農業灌溉（gài）和水產養殖。與（yǔ）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（běn）（圖6）。
圖6. Janus-PAN豎琴收集器的應用
綜（zōng）上（shàng），該工（gōng）作開（kāi）發了一（yī）種分子限製誘導電位控製技術，使得材料表麵（miàn）勢能在長時間內保持穩定，不受濕度影響。利用該技（jì）術製備的（de）Janus-PAN纖維可同時實現霧水（shuǐ）高效捕獲和水分（fèn）定向快速傳輸（shū）。但是，過高的表麵（miàn）電位可能會阻礙水滴的脫落，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（zhōng）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
