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廣西大學(xué)聶雙喜教授團(tuán)隊《Nat. Commun.》：集霧發(fā)電的纖維素新材料
2022-07-21  來源：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，可實現(xiàn)快速的現(xiàn)場生產(chǎn)。霧收集的過程主要包括霧捕捉（液滴成核）和液滴運輸（液滴去除），基于單一仿生的表面在霧收集過程中可能會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)被證實存在于液體與固體的接觸過程，霧在收集器表面或水滴在運輸過程中也會存在受到電荷相互作用的影響。然而，很少有人對水收集過程的界面相互作用進(jìn)行研究。



  針對該問題，近日，廣西大學(xué)聶雙喜教授團(tuán)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。基于化學(xué)基團(tuán)調(diào)控和結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇性調(diào)控纖維素表面自由能的極性分量和色散分量，實現(xiàn)了非連續(xù)的分子級親/疏水域，構(gòu)造了可以實現(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發(fā)和利用，實現(xiàn)了前所未有的高效水收集效率（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)于仙人掌刺和納布爾沙漠甲蟲背部，涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計和表面化學(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，其針刺還具有主動收集霧，以提供外源水分補充的作用。此外，納布爾沙漠甲蟲通過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)和巧妙機制的啟發(fā)，本文設(shè)計了一種雙重仿生水霧收集表面。 


圖1：非對稱光滑表面的設(shè)計


  纖維素的每個葡萄糖單元上有三個羥基，使其具有天然的吸濕性，同時也會導(dǎo)致水汽在其表面的釘扎。為了弱化這種不良影響，通過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合成纖維素酯的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行探究。 


圖 2. 纖維素基非對稱兩親性表面的物理化學(xué)性質(zhì)。


 圖 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同樣會發(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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