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廣西大學(xué)聶雙喜教授團(tuán)隊(duì)《Nat. Commun.》:集霧發(fā)電的纖維素新材料
2022-07-21  來(lái)源:高分子科技

  從大氣水中獲得清潔水,用于緩解日益嚴(yán)重的全球淡水資源短缺,是一種有潛力的可持續(xù)解決方案。其中,受到生物適應(yīng)性進(jìn)化的生物學(xué)特征啟發(fā)的霧收集作為典型的空氣水捕獲方案,可實(shí)現(xiàn)快速的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。霧收集的過(guò)程主要包括霧捕捉(液滴成核)和液滴運(yùn)輸(液滴去除),基于單一仿生的表面在霧收集過(guò)程中可能會(huì)受到某一方面的限制。纖維素是地球上最古老、最豐富的天然高分子材料,其分子骨架β-D-吡喃葡萄糖環(huán)上豐富的羥基為霧收集提供了高效的親水域。然而,連續(xù)的親水域會(huì)導(dǎo)致表面成核液滴的釘扎及凝聚水膜的界面屏蔽。此外,電子轉(zhuǎn)移已經(jīng)被證實(shí)存在于液體與固體的接觸過(guò)程,霧在收集器表面或水滴在運(yùn)輸過(guò)程中也會(huì)存在受到電荷相互作用的影響。然而,很少有人對(duì)水收集過(guò)程的界面相互作用進(jìn)行研究。



  針對(duì)該問(wèn)題,近日,廣西大學(xué)聶雙喜教授團(tuán)隊(duì)從仙人掌刺和甲殼蟲翅膀表面構(gòu)造中獲得靈感,發(fā)明了可從霧中收集水滴的纖維素新材料;诨瘜W(xué)基團(tuán)調(diào)控和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),選擇性調(diào)控纖維素表面自由能的極性分量和色散分量,實(shí)現(xiàn)了非連續(xù)的分子級(jí)親/疏水域,構(gòu)造了可以實(shí)現(xiàn)液滴快速成核和去除的雙重仿生表面。值得注意的是,霧滴與收集器之間自發(fā)的界面電荷作用被首次開(kāi)發(fā)和利用,實(shí)現(xiàn)了前所未有的高水收集效率(93.18 kg/m2 h。相關(guān)成果以題為“Bioinspired asymmetric amphiphilic surface for triboelectric enhanced efficient water harvesting” 的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。2021級(jí)博士生張松為第一作者,聶雙喜教授為通訊作者。


  水收集表面啟發(fā)于仙人掌刺和布爾沙漠甲蟲背部,涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面化學(xué)調(diào)控。縮刺仙人掌的葉子退化為針以避免水分的蒸發(fā)和流失,其針刺還具有主動(dòng)收集霧,以提供外源水分補(bǔ)充的作用。此外,納布爾沙漠甲蟲通過(guò)背部鞘翅表面的親水-疏水圖案同樣可以從稀薄的空氣中獲取水分。受到這兩種生物精致結(jié)構(gòu)和巧妙機(jī)制的啟發(fā),本文設(shè)計(jì)了一種雙重仿生水霧收集表面。 


1:非對(duì)稱光滑表面的設(shè)計(jì)


  纖維素的每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基,使其具有天然的吸濕性,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致水汽在其表面的釘扎。為了弱化這種不良影響,通過(guò)親核取代接入疏水性的10-十一烯酰氯制得兩親性纖維素酯涂層。分別采用元素分析,固體13C核磁波譜儀、傅里葉紅外光譜儀、X射線電子能譜儀等對(duì)合成纖維素酯的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行探究。 


 2. 纖維素基非對(duì)稱兩親性表面的物理化學(xué)性質(zhì)。


  3. 靜電輔助水收集的性能。


  幾乎所有已知的材料都具有接觸起電效應(yīng),水滴與聚合物在接觸分離時(shí)同樣會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。首次揭示了水收集表面與霧滴之間存在的靜電吸附現(xiàn)象,并將其用于輔助增強(qiáng)水收集。最終獲得了93.18 kg/m2 h的極高水收集效率,高于目前已知仿生甲殼蟲和仙人掌的霧收集器。


  原文鏈接 https://www.nature.com/articles/s41467-022-31987-w

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