發布時間：2024-12-06 13:51:53 人氣：0次（cì）
由於氣候退化、環（huán）境汙染和管理不善，淡水資源的（de）稀缺已（yǐ）成（chéng）為二十一世紀的一個嚴重挑戰。收（shōu）集由不同帶電液滴（dī）組成的霧水，是應對淡水危機的（de）潛在方（fāng）法之一。引入電（diàn）荷來（lái）增（zēng）加材料表麵電位（wèi），利用帶電表麵和液滴之間的靜電吸引力，可以有效提高捕獲效（xiào）率，從而實現高（gāo）效收集霧（wù）水，包括靜電紡絲和摩擦發電（diàn）等技術。然而，通過引入（rù）電荷來增強靜（jìng）電吸引力的策略麵臨持（chí）久性的問題。
東華大學蔡再生教授團隊采用濕法紡絲工藝（yì），通過分子本征極性調控和潤濕性（xìng）梯度設計，成功製備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可實現1775 mg/(cm2·h)的集水效率，是傳（chuán）統低表（biǎo）麵電（diàn）位、無潤濕梯度纖（xiān）維收集（jí）器的2.6倍。該研究為新一代霧收集纖維材料（liào）的結構設計和（hé）可控（kòng）製備提供了新思路。
水滴自發帶電而產生引力（lì）和聚結，是霧形成的重要原因。這種帶電現象主（zhǔ）要由圖1a中3個因素引起（qǐ）。(1)嵌入電荷：重力和氣（qì）流促進碰撞，使帶電粒子融入水滴中；(2)電離電荷：水（shuǐ）分子在蒸發和凝結（jié）過程中解離，產生（shēng）質子和氫氧離子；(3)極（jí）化電荷：水分子的極性造成內部電荷不平衡。
通常分子極性越大，其表麵電位（wèi）越高，越有（yǒu）利於水分（fèn）子的吸附。在（zài）聚合物（wù）中聚丙烯腈（PAN）重複單元的偶極矩較大（3.6 D），分子極性較強，是製備高（gāo）表麵電位纖維的理想材料。由於氰基的電負（fù）性較大，且在製備（bèi）過程中引起表麵極化，PAN纖維表麵呈現較高的負電位（wèi），從而與水分子產生（shēng）強大的靜（jìng）電相互作用，有助於提高霧的捕獲效率（圖（tú）1b-e）。
圖1. 表麵電（diàn）位驅動霧（wù）水收集（jí）纖維的提出（chū）及設（shè）計原（yuán）理：帶電液滴的形成；正負電荷液滴的數量對比；不同聚合物的表麵靜電勢及偶極矩（jǔ）；高表麵電位纖維（wéi）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）。隨著凝固浴堿性增（zēng）強，PAN分子發生部分水解，導致原來的氰基轉化為羧基（jī）。此外，通過鹽酸羥胺處理在中（zhōng）性凝固浴中製備的PAN纖維可獲得表麵帶（dài）正電位（wèi）的纖維，從而有助於研究正負電位對霧水收集的影響。改性PAN分子的表麵靜電勢極值點與原始PAN分子的表麵靜（jìng）電勢極值點略有偏（piān）差。采用原位分子改性提高（gāo）纖維表麵電位（wèi）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PAN+纖維具有更大的柔性，使其適合纏繞、打結和其他（tā）應用。（圖2b-f）
圖2. 製備穩定和高表麵電位的纖維：PAN-和PAN+製備示意圖及相關（guān）表征；纖維部分（fèn）機械性能測試（shì）及實物照（zhào）片
圖3（a-f）所示（shì），采用XRD、FTIR、XPS等測試手段進一步（bù）驗證了紡絲過程中PAN分子產生（shēng）的變化（huà）。與PAN膜相比，通過濕紡製備的PAN纖維顯示出更多和更強烈的晶相峰，反映出它們（men）更高的（de）品相（xiàng）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（zhì）量（liàng）損失，PAN-纖維緊隨其（qí）後（hòu），然後（hòu）是PAN膜。與PAN+纖維（wéi）相比，PAN-纖（xiān）維（wéi）具（jù）有優越的熱穩定性。隨著（zhe）凝固浴的pH從3變為13，PAN纖維的表（biǎo）麵電位（wèi）逐漸升高（gāo）。在鹽酸羥胺與腈基的反應中，PAN中腈（jīng）基反應（yīng）5 h後的轉化（huà）率（CR）達到約78%，同（tóng）時PAN纖維的表麵電位達到+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（shōu）集霧水主要取決於有效捕獲霧滴和快速傳輸定向水。當基質表麵呈現高（gāo）電位時，會對具（jù）有相反（fǎn）電位的霧滴產生強大的靜電吸引（yǐn）力（lì），從而促進霧滴的（de）捕獲（圖4a-c）。在收集（jí）霧水的測試中，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（de）表麵電位可能會阻礙水滴的脫落，從而導致收（shōu）集效率下降。垂直放置纖（xiān）維的水收集效率（lǜ）（WCR）大約是水平放置纖（xiān）維的1.5倍（圖4f-g），而（ér）且收集第一個水滴所需的時（shí）間大約是水平放置纖維的三分之一。纖維直徑對（duì）霧收集（jí）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（diàn）的PAN纖維，隨著改性時間的增加，表麵電位逐漸上升，水收（shōu）集效率（WCR）逐漸增（zēng）加到751mg/(cm·h)（圖4h-i）。
圖（tú）4. 穩定高表麵電位纖維霧（wù）水收集工作機製及測試結果
通（tōng）過建立有利於自驅動定向水傳輸的潤（rùn）濕性梯度，還增加了纖（xiān）維表麵的電位，這種表麵具有潤濕性梯度的纖維（Janus-PAN）能有（yǒu）效地將捕獲的水及時定向傳輸到收集器，以重新（xīn）暴露捕獲位（wèi）點。由Janus-PAN纖維製備（bèi）的豎琴收（shōu）集器的WCR達到1775 mg/(cm2·h)，分別是PAN、HB-PAN和Janus-PAN網格（gé）收集器的2.4、1.5和1.7倍（bèi）。此外（wài），Janus-PAN豎琴收（shōu）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、性能測試及對比
在戶（hù）外測試中（zhōng），Janus-PAN豎琴收集器（qì）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產（chǎn）養殖。與其他（tā）材（cái）料相比，Janus-PAN豎琴具有良好的使用性能和較低的生（shēng）產成本（圖6）。
圖6. Janus-PAN豎琴收集器（qì）的應用
綜上，該（gāi）工作（zuò）開發了（le）一種分（fèn）子限製誘（yòu）導電（diàn）位（wèi）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。利用該技術（shù）製備的Janus-PAN纖（xiān）維可同時實現霧（wù）水高效捕獲和水分定向快速傳輸。但（dàn）是，過高的表麵電位可能（néng）會阻礙水滴的（de）脫落，從而導致（zhì）收（shōu）集效率下降。此外，驗證了Janus-PAN豎琴（qín）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（luè）為（wéi）非對稱潤濕性（xìng）界麵的流體（tǐ）管（guǎn）理提供了新的啟示。
原文（wén）鏈（liàn）接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00474-w
