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?Nature Communications：從大氣中生產(chǎn)清潔水和電能

時間：2022-07-26 來源：瀏覽：

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第一作者：張松

通訊作者：聶雙喜

通訊單位：廣西大學

【研究亮點】

1. 通過接入疏水性長鏈烷烴制備了一種新型的兩親性纖維素酯，其表面自由能的極性分量和色散分量可調(diào)控。

2. 激光切割FEP薄膜，簡單構(gòu)造了驅(qū)動液滴的拉普拉斯壓。

3. 揭示了霧與霧收集器表面之間的界面電荷作用。

【研究內(nèi)容】

隨著全球范圍內(nèi)的人口增長和能源消耗，日益嚴峻的水資源短缺向科學和工程界提出了前所未有的挑戰(zhàn)。開發(fā)大氣水捕獲新技術(shù)（作為清潔水來源）受到了越來越多的關注。其中，受到生物適應性進化的生物學特征啟發(fā)的霧收集作為典型的空氣水捕獲方案，可實現(xiàn)快速的現(xiàn)場生產(chǎn)。

近日，廣西大學聶雙喜教授團隊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。兩親性纖維素酯涂層表面化學親水組分（液滴成核位點）和疏水組分與非對稱結(jié)構(gòu)拉普拉斯壓的協(xié)同作用為仿生針刺單元提供了高效的水收集效率。此外，利用收集到的液滴作為電荷源觸發(fā)液滴摩擦納米發(fā)電機，為非對稱兩親性表面提供額外電荷用于增強靜電吸附效果，實現(xiàn)了前所未有的極高水收集效率（93.18 kg/m ² h）。將水收集器件放置在16.2 m/s的風（相當于7級風）中5 min后，兩親性非對稱表面僅出現(xiàn)輕微形變，證明了水收集器件具有良好的抗風性能。這項成果以題為“Bioinspired asymmetric amphiphilic surface for triboelectric enhanced efficient water harvesting”發(fā)表在了最新一期《Nature Communications》上。

圖 1.纖維素基非對稱兩親性表面的設計。（a）受仙人掌刺的不對稱性和沙漠甲蟲背部親水-疏水表面啟發(fā)的仿生非對稱光滑表面示意圖，（b）仿生疏水-親水涂層的示意圖，水霧在疏水區(qū)被排斥，在親水區(qū)被吸引，（c）靜電輔助增強水汽吸附，靜電來源包括液滴與FEP接觸起電和液滴發(fā)電機的外加電場。

圖 2. 纖維素基非對稱兩親性表面的物理化學性質(zhì)。（a）和溶解在四氫呋喃中的照片（b），（c）ACEC的固體 ¹³ C核磁波譜圖，（d）微晶纖維素和（e）ACEC的高分辨率C 1s XPS光譜圖，（f）MCC和ACEC的表面形貌，F(xiàn)EP刺（g）和ACEC@FEP刺（h）的表面形貌，（i）FEP刺側(cè)棱的SEM圖像，ACEC@FEP刺的三維圖（j）像和其側(cè)棱的SEM圖像（k），以及表面相對應的EDS-Mapping圖片（i）。

圖 3. 表面濕潤性和穩(wěn)健性。(a) MCC，ACEC和FEP的接觸角照片，（b）FEP和ACEC的表面自由能，（c）FEP和ACEC@FEP的前進角和后退角，（d）不同數(shù)量水滴在ACEC@FEP表面滴落后的照片，（e）在水中浸泡不同時間后的接觸角和照片，（f）ACEC與FEP涂層的結(jié)合強度。

圖 4. 仿生結(jié)構(gòu)的水霧收集性能。（a）水霧在ACEC@FEP針刺表面的收集過程，液滴受到拉普拉斯壓驅(qū)動向根部流動，（b）不同針刺與疏水通道角度（30，45，60和90°）結(jié)構(gòu)的水霧收集過程，（c）液滴在不同角度針刺表面的受力分析圖，（d）不同角度結(jié)構(gòu)的水收集效率，（e）不同疏水通道寬度和（f）不同針刺間距結(jié)構(gòu)的水收集效率和水收集開始時間，刺根部的寬度為1.2 mm，（g）水霧收集過程的示意圖，（h）水滴在不同針刺垂直距離結(jié)構(gòu)表面的受力分析圖。

圖 5. 液滴發(fā)電機的電輸出性能。（a）霧收集和能量收集平臺的照片（b）D-TENG的起電機理示意圖，（c）不同液滴下落高度的開路電壓（d）本工作與目前水汽發(fā)電相關研究的輸出電壓對比，（e）不同霧流速下，水滴在1 h內(nèi)產(chǎn)生的滴數(shù)（4個并聯(lián)結(jié)構(gòu)組合）和相對應的開路電壓，（f）增加整流電路后，正/負電荷生成器的電荷轉(zhuǎn)移示意圖和轉(zhuǎn)移電荷曲線，負電荷生成器的轉(zhuǎn)移電荷曲線（g）和開路電壓曲線圖（h）。

圖 6. 靜電輔助水收集的性能。（a）靜電輔助增強水收集的原理圖，靜電來源于水滴與FEP的摩擦起電和外加電子，（b）豎直向上的水霧被充電后的FEP吸引，銅線貼附在FEP背面，分別在未加電子（c）和外加電子（d）時將正面靠近水霧的光學圖像，（e）霧滴在均勻靜電場中的受力分析，（i, j）霧滴在外加電子電場中的受力分析（h）FEP細條（5 × 50 mm）表面在水滴滑落后的電荷轉(zhuǎn)移，（i）液滴在FEP（5 × 50 mm）表面滑落后，F(xiàn)EP的水汽吸附能力（10 s內(nèi)），（j）接地、摩擦靜電輔助和外加電子增強的水收集效率。

綜上所述，本文受甲蟲翅鞘和仙人掌刺的啟發(fā)設計了一種纖維素基非對稱兩親性表面，結(jié)合自發(fā)的界面摩擦電吸附作用，實現(xiàn)了前所未有的水收集效率。高效的水收集效率主要源于兩親性纖維素酯涂層表面化學親水組分（液滴成核位點）和疏水組分與非對稱結(jié)構(gòu)拉普拉斯壓的協(xié)同作用。此外，本文系統(tǒng)地證明了液滴與水收集器表面之間自發(fā)的靜電吸附及外加電荷增強的靜電吸附作用。該系統(tǒng)不僅適用于多霧地區(qū)，還有望應用于熱電廠、造紙廠冷卻塔的蒸汽回收，同時也為緩解水-能源關系提供了一種通用的解決方案。

Zhang, S., Chi, M., Mo, J. et al. Bioinspired asymmetric amphiphilic surface for triboelectric enhanced efficient water harvesting. Nat Commun 13, 4168 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31987-w

作者介紹

聶雙喜，廣西大學教授，博士生導師，“國家技術(shù)發(fā)明獎”和“國家霍英東青年教師獎”獲得者。長期致力于先進纖維素功能材料的開發(fā)及其構(gòu)效關系的深入解析，系統(tǒng)研究了纖維素材料摩擦起電性能影響及關鍵控制要點，開發(fā)了系列高性能纖維素摩擦電材料。研究成果形成了完整的調(diào)控纖維素摩擦電性能的理論體系，對實現(xiàn)高性能纖維素基摩擦電材料的應用具有重大意義。系列研究成果在Nature Communications、Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy、Small等國際著名期刊上發(fā)表SCI論文140余篇，所發(fā)表的論文近五年被國際同行引用4000余次，累計入選ESI熱點論文1篇、ESI高被引論文13篇。共獲授權(quán)發(fā)明專利27件，其中5項技術(shù)已實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)讓到?？偨?jīng)費387萬元。

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