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，淡水資源的稀（xī）缺已成為二（èr）十一（yī）世紀的一個嚴重（chóng）挑戰（zhàn）。收集由不同帶電（diàn）液滴組成（chéng）的霧水，是應對淡水危機的潛在方法之一。引入電（diàn）荷（hé）來增加材料表麵電位，利用帶電表（biǎo）麵和液滴之間（jiān）的靜電吸引力，可以有效（xiào）提高捕獲效率，從（cóng）而實現高效收集霧水（shuǐ），包括靜電紡絲和（hé）摩擦發電（diàn）等技（jì）術。然而，通過引入電（diàn）荷來增強靜電吸引力的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藝，通過分子本征極性調控和潤濕性梯（tī）度設計，成（chéng）功製備了具有持久高表麵電位的Janus-PAN纖（xiān）維。由該纖維製成的豎琴收集器（qì）可實現1775 mg/(cm2·h)的集（jí）水效率，是傳統（tǒng）低表麵電位、無潤濕梯度纖維收集器的2.6倍。該研究為新一代（dài）霧收集纖（xiān）維材料的結構設計和可控製備提（tí）供了新思路。
水滴自發帶電而（ér）產生引力和聚結（jié），是霧形成的重要原因。這種帶電（diàn）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（zhuàng），使帶電粒子融入水滴中；(2)電（diàn）離（lí）電荷（hé）：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：水分子的極性造成內（nèi）部電荷不（bú）平衡。
通常（cháng）分（fèn）子極性越大，其表麵電位越高，越有利於水分子的吸（xī）附。在聚合物中聚丙烯腈（PAN）重複單元的偶極矩（jǔ）較大（3.6 D），分子極性（xìng）較強，是製備（bèi）高表麵電位（wèi）纖維的理想材料。由於氰基的電負性較大，且在製備過（guò）程中引起表麵極化，PAN纖維表麵呈現（xiàn）較高的負電位，從而與水分子產生強大的靜電相互（hù）作用，有助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；正負電荷液滴的數量對比；不（bú）同聚合物的表麵（miàn）靜電（diàn）勢及偶極矩；高表麵電位纖維的霧水收（shōu）集示意圖（tú）
如圖2a所示，采用濕法紡絲工藝製備PAN纖維。隨著凝固浴堿性增強，PAN分子發生部分水解，導致原（yuán）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（zhì）備的PAN纖維可（kě）獲得表麵帶正電位的纖維，從而（ér）有助於研究正負電位對霧水收集的影響。改性PAN分子的表麵靜電勢（shì）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（yuán）位分子改性提高纖維（wéi）表麵電位的絕對（duì）值或（huò）改變其極性，可確保纖維（wéi）電位不受環境濕度波動的影響。PAN-纖維（wéi）比PAN+纖維具（jù）有（yǒu）更大的柔性（xìng），使其適合纏繞、打結和其他應用。（圖2b-f）
圖2. 製備穩定和高表麵電位的纖維：PAN-和（hé）PAN+製備示意圖及相關表征；纖維部分機械性能測試及實物照片
圖（tú）3（a-f）所示，采用XRD、FTIR、XPS等測試手段進（jìn）一步（bù）驗證了（le）紡絲過程中PAN分子產生的變化。與PAN膜（mó）相比，通過濕紡（fǎng）製備的（de）PAN纖（xiān）維顯示出更多和更強烈的晶相峰（fēng），反映出它們更高的品相含量和更完（wán）整的品相形態。在熱重分析（xī）儀(TGA)測試中，PAN+纖維表現出最低的初始熱分解溫度和（hé）最高的總質量損失，PAN-纖維緊隨其後，然後是PAN膜。與PAN+纖維相比，PAN-纖維具有優越的熱（rè）穩定性（xìng）。隨著凝固浴（yù）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中腈基反應5 h後的轉化率（lǜ）（CR）達到約78%，同時（shí）PAN纖維（wéi）的表麵電位達到+41 mV（圖3i）。
圖3. 穩定高表麵電位纖維的表征：XRD; TGA; XPS等
高效收集霧水主要取（qǔ）決於有效捕獲霧滴和快速（sù）傳輸定（dìng）向水。當基質表麵呈現高（gāo）電位時，會對具（jù）有相反電位的（de）霧滴（dī）產生強大的靜電吸引力（lì），從而（ér）促進霧滴的捕獲（圖4a-c）。在收（shōu）集霧水的（de）測試中，表麵電位越高，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（zǔ）礙水滴的脫落，從（cóng）而（ér）導致收（shōu）集效（xiào）率下降。垂（chuí）直放置纖維的水收集效率（WCR）大約是水平放置（zhì）纖維的1.5倍（圖4f-g），而且（qiě）收集（jí）第一個水滴所（suǒ）需（xū）的時間大約是（shì）水（shuǐ）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（de）範（fàn）圍內，WCR與纖維直徑成比例增加。對（duì）於帶正電的PAN纖維，隨著改性時間的增加，表（biǎo）麵電位逐漸上升，水收集效（xiào）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（lì）有利於（yú）自驅動（dòng）定向（xiàng）水傳輸的潤濕性梯度，還（hái）增加了纖維表麵的電位，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向傳輸到收集器，以重新暴露捕獲位點。由Janus-PAN纖維製備的豎琴收集器的WCR達到1775 mg/(cm2·h)，分別是PAN、HB-PAN和Janus-PAN網格（gé）收集器（qì）的2.4、1.5和1.7倍。此外，Janus-PAN豎（shù）琴收集器的穩定性優異，如圖5所示。
圖5. Janus-PAN豎琴收集（jí）器的設計、性能測試及對比（bǐ）
在戶外（wài）測試中，Janus-PAN豎琴收集器也表現出良好的集水能力，收集的水可（kě）用於農業灌溉和水產（chǎn）養殖。與其他材料相（xiàng）比，Janus-PAN豎琴具有良好的使用性能和較低的生（shēng）產成（chéng）本（圖6）。
圖6. Janus-PAN豎琴收集器的應用
綜上，該工作開發（fā）了一種（zhǒng）分子（zǐ）限製誘導電位控製技術，使得材料表麵勢能在（zài）長時間內保持穩定，不受濕度影響。利用該技術製備的Janus-PAN纖維可同時實現霧水高效捕獲（huò）和水分定向快速傳輸。但（dàn）是，過高的表麵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（shōu）集（jí）器在農作物灌溉中的廣泛適用性。這種新穎（yǐng）的霧水收（shōu）集策略為非對稱潤濕性界（jiè）麵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
