研究背景
從大氣中有效獲取清潔水，為日益嚴(yán)重的全球水資源和能源短缺提供了一種潛在的可持續(xù)解決方案。霧收集作為典型的大氣水收集方案，可實(shí)現(xiàn)快速的現(xiàn)場生產(chǎn)，其收集方式多啟發(fā)于原始生物適應(yīng)性進(jìn)化以應(yīng)對惡劣環(huán)境的生物學(xué)特征。
纖維素是地球上最古老、最豐富的天然高分子，是一種具有強(qiáng)吸濕性的可再生材料。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，以及凝聚水膜的界面屏蔽。通過化學(xué)基團(tuán)調(diào)控和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，巧妙地利用多種仿生原理設(shè)計(jì)協(xié)同的液滴成核和去除機(jī)制，將實(shí)現(xiàn)纖維素材料在水收集領(lǐng)域的無限潛力。
創(chuàng)新研究
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。這項(xiàng)成果以題為“Bioinspired asymmetric amphiphilic surface for triboelectric enhanced efficient water harvesting”發(fā)表在了《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，遲明超、莫濟(jì)龍、劉濤、劉艷華、付秋、王金龍、羅斌、秦影參與研究。
圖文導(dǎo)讀
1. 纖維素基非對稱兩親性表面的設(shè)計(jì)
水收集表面啟發(fā)于仙人掌刺和尼布爾沙漠甲蟲背部，涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面化學(xué)調(diào)控。縮刺仙人掌是極少數(shù)適合在極度干旱地區(qū)生長的植物之一，除了通過將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(bǔ)充的作用。脊柱尖端及其表面的倒刺提供水霧附著和凝聚的位點(diǎn)，脊柱的徑向非對稱結(jié)構(gòu)提供了拉普拉斯壓，驅(qū)動表面液滴向根部運(yùn)動。此外，納布爾沙漠甲蟲（Namib Desert beetle）同樣可以從稀薄的空氣中獲取水分。通過背部鞘翅表面的親水-疏水圖案。親水區(qū)捕捉水霧，液滴凝聚增大后轉(zhuǎn)移至疏水區(qū)，疏水區(qū)的低表面能使大液滴從鞘翅表面快速去除。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。
圖 1.纖維素基非對稱兩親性表面的設(shè)計(jì)。
2. 纖維素基非對稱兩親性表面的表征
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)。
3.表面自由能和耐久性
表面的濕潤性對于液滴成核和去除具有重要作用，通過接觸角測量儀評估靜態(tài)接觸角、接觸角滯后、表面自由能以及界面張力等。此外，對ACEC@FEP進(jìn)行水滴滑落測試以及水中浸泡實(shí)驗(yàn)，評估了表面 的穩(wěn)健性。
圖 3. 表面濕潤性和穩(wěn)健性。
4. 靜電輔助水收集
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。我們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。
圖 4. 靜電輔助水收集的性能。
結(jié)論
綜上所述，本文受甲蟲翅鞘和仙人掌刺的啟發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)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(xué)親水組分（液滴成核位點(diǎn)）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，我們系統(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(qiáng)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(yīng)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(guān)系提供了一種通用的解決方案。
