发布时间：2024-12-06 13:51:53 人气：0次
由于气候退化、环境污染和管理不善，淡水资源的稀缺已成为二十一世纪的一个严重挑战。收集由不同带电液滴组成的雾水，是应对淡水危机的潜在方法之一。引入电荷来增加材料表面电位，利用带电表面和液滴之间的静电吸引力，可以有效提高捕获效率，从而实现高效收集雾水，包括静电纺丝和摩擦发电等技术。然而，通过引入电荷来增强静电吸引力的策略面临持久性的问题。
东华大学蔡再生教授团队采用湿法纺丝工艺，通过分子本征极性调控和润湿性梯度设计，成功制备了具有持久高表面电位的Janus-PAN纤维。由该纤维制成的竖琴收集器可实现1775 mg/(cm2·h)的集水效率，是传统低表面电位、无润湿梯度纤维收集器的2.6倍。该研究为新一代雾收集纤维材料的结构设计和可控制备提供了新思路。
水滴自发带电而产生引力和聚结，是雾形成的重要原因。这种带电现象主要由图1a中3个因素引起。(1)嵌入电荷：重力和气流促进碰撞，使带电粒子融入水滴中；(2)电离电荷：水分子在蒸发和凝结过程中解离，产生质子和氢氧离子；(3)极化电荷：水分子的极性造成内部电荷不平衡。
通常分子极性越大，其表面电位越高，越有利于水分子的吸附。在聚合物中聚丙烯腈（PAN）重复单元的偶极矩较大（3.6 D），分子极性较强，是制备高表面电位纤维的理想材料。由于氰基的电负性较大，且在制备过程中引起表面极化，PAN纤维表面呈现较高的负电位，从而与水分子产生强大的静电相互作用，有助于提高雾的捕获效率（图1b-e）。
图1. 表面电位驱动雾水收集纤维的提出及设计原理：带电液滴的形成；正负电荷液滴的数量对比；不同聚合物的表面静电势及偶极矩；高表面电位纤维的雾水收集示意图
如图2a所示，采用湿法纺丝工艺制备PAN纤维。随着凝固浴碱性增强，PAN分子发生部分水解，导致原来的氰基转化为羧基。此外，通过盐酸羟胺处理在中性凝固浴中制备的PAN纤维可获得表面带正电位的纤维，从而有助于研究正负电位对雾水收集的影响。改性PAN分子的表面静电势极值点与原始PAN分子的表面静电势极值点略有偏差。采用原位分子改性提高纤维表面电位的绝对值或改变其极性，可确保纤维电位不受环境湿度波动的影响。PAN-纤维比PAN+纤维具有更大的柔性，使其适合缠绕、打结和其他应用。（图2b-f）
图2. 制备稳定和高表面电位的纤维：PAN-和PAN+制备示意图及相关表征；纤维部分机械性能测试及实物照片
图3（a-f）所示，采用XRD、FTIR、XPS等测试手段进一步验证了纺丝过程中PAN分子产生的变化。与PAN膜相比，通过湿纺制备的PAN纤维显示出更多和更强烈的晶相峰，反映出它们更高的品相含量和更完整的品相形态。在热重分析仪(TGA)测试中，PAN+纤维表现出最低的初始热分解温度和最高的总质量损失，PAN-纤维紧随其后，然后是PAN膜。与PAN+纤维相比，PAN-纤维具有优越的热稳定性。随着凝固浴的pH从3变为13，PAN纤维的表面电位逐渐升高。在盐酸羟胺与腈基的反应中，PAN中腈基反应5 h后的转化率（CR）达到约78%，同时PAN纤维的表面电位达到+41 mV（图3i）。
图3. 稳定高表面电位纤维的表征：XRD; TGA; XPS等
高效收集雾水主要取决于有效捕获雾滴和快速传输定向水。当基质表面呈现高电位时，会对具有相反电位的雾滴产生强大的静电吸引力，从而促进雾滴的捕获（图4a-c）。在收集雾水的测试中，表面电位越高，水滴在纤维表面的聚集速度越快（图4d）；过高的表面电位可能会阻碍水滴的脱落，从而导致收集效率下降。垂直放置纤维的水收集效率（WCR）大约是水平放置纤维的1.5倍（图4f-g），而且收集第一个水滴所需的时间大约是水平放置纤维的三分之一。纤维直径对雾收集效率的影响在400-1000m的范围内，WCR与纤维直径成比例增加。对于带正电的PAN纤维，随着改性时间的增加，表面电位逐渐上升，水收集效率（WCR）逐渐增加到751mg/(cm·h)（图4h-i）。
图4. 稳定高表面电位纤维雾水收集工作机制及测试结果
通过建立有利于自驱动定向水传输的润湿性梯度，还增加了纤维表面的电位，这种表面具有润湿性梯度的纤维（Janus-PAN）能有效地将捕获的水及时定向传输到收集器，以重新暴露捕获位点。由Janus-PAN纤维制备的竖琴收集器的WCR达到1775 mg/(cm2·h)，分别是PAN、HB-PAN和Janus-PAN网格收集器的2.4、1.5和1.7倍。此外，Janus-PAN竖琴收集器的稳定性优异，如图5所示。
图5. Janus-PAN竖琴收集器的设计、性能测试及对比
在户外测试中，Janus-PAN竖琴收集器也表现出良好的集水能力，收集的水可用于农业灌溉和水产养殖。与其他材料相比，Janus-PAN竖琴具有良好的使用性能和较低的生产成本（图6）。
图6. Janus-PAN竖琴收集器的应用
综上，该工作开发了一种分子限制诱导电位控制技术，使得材料表面势能在长时间内保持稳定，不受湿度影响。利用该技术制备的Janus-PAN纤维可同时实现雾水高效捕获和水分定向快速传输。但是，过高的表面电位可能会阻碍水滴的脱落，从而导致收集效率下降。此外，验证了Janus-PAN竖琴收集器在农作物灌溉中的广泛适用性。这种新颖的雾水收集策略为非对称润湿性界面的流体管理提供了新的启示。
原文链接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00474-w
