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Nature Communications：从大气中生产清洁水和电能

时间：2022-07-26 来源：浏览：

Nature Communications：从大气中生产清洁水和电能

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第一作者：张松

通讯作者：聂双喜

通讯单位：广西大学

【研究亮点】

1. 通过接入疏水性长链烷烃制备了一种新型的两亲性纤维素酯，其表面自由能的极性分量和色散分量可调控。

2. 激光切割FEP薄膜，简单构造了驱动液滴的拉普拉斯压。

3. 揭示了雾与雾收集器表面之间的界面电荷作用。

【研究内容】

随着全球范围内的人口增长和能源消耗，日益严峻的水资源短缺向科学和工程界提出了前所未有的挑战。开发大气水捕获新技术（作为清洁水来源）受到了越来越多的关注。其中，受到生物适应性进化的生物学特征启发的雾收集作为典型的空气水捕获方案，可实现快速的现场生产。

近日，广西大学聂双喜教授团队从仙人掌刺和甲壳虫翅膀表面构造中获得灵感，发明了可从雾中收集水滴的纤维素新材料。两亲性纤维素酯涂层表面化学亲水组分（液滴成核位点）和疏水组分与非对称结构拉普拉斯压的协同作用为仿生针刺单元提供了高效的水收集效率。此外，利用收集到的液滴作为电荷源触发液滴摩擦纳米发电机，为非对称两亲性表面提供额外电荷用于增强静电吸附效果，实现了前所未有的极高水收集效率（93.18 kg/m ² h）。将水收集器件放置在16.2 m/s的风（相当于7级风）中5 min后，两亲性非对称表面仅出现轻微形变，证明了水收集器件具有良好的抗风性能。这项成果以题为“Bioinspired asymmetric amphiphilic surface for triboelectric enhanced efficient water harvesting”发表在了最新一期《Nature Communications》上。

图 1.纤维素基非对称两亲性表面的设计。（a）受仙人掌刺的不对称性和沙漠甲虫背部亲水-疏水表面启发的仿生非对称光滑表面示意图，（b）仿生疏水-亲水涂层的示意图，水雾在疏水区被排斥，在亲水区被吸引，（c）静电辅助增强水汽吸附，静电来源包括液滴与FEP接触起电和液滴发电机的外加电场。

图 2. 纤维素基非对称两亲性表面的物理化学性质。（a）和溶解在四氢呋喃中的照片（b），（c）ACEC的固体 ¹³ C核磁波谱图，（d）微晶纤维素和（e）ACEC的高分辨率C 1s XPS光谱图，（f）MCC和ACEC的表面形貌，FEP刺（g）和ACEC@FEP刺（h）的表面形貌，（i）FEP刺侧棱的SEM图像，ACEC@FEP刺的三维图（j）像和其侧棱的SEM图像（k），以及表面相对应的EDS-Mapping图片（i）。

图 3. 表面湿润性和稳健性。(a) MCC，ACEC和FEP的接触角照片，（b）FEP和ACEC的表面自由能，（c）FEP和ACEC@FEP的前进角和后退角，（d）不同数量水滴在ACEC@FEP表面滴落后的照片，（e）在水中浸泡不同时间后的接触角和照片，（f）ACEC与FEP涂层的结合强度。

图 4. 仿生结构的水雾收集性能。（a）水雾在ACEC@FEP针刺表面的收集过程，液滴受到拉普拉斯压驱动向根部流动，（b）不同针刺与疏水通道角度（30，45，60和90°）结构的水雾收集过程，（c）液滴在不同角度针刺表面的受力分析图，（d）不同角度结构的水收集效率，（e）不同疏水通道宽度和（f）不同针刺间距结构的水收集效率和水收集开始时间，刺根部的宽度为1.2 mm，（g）水雾收集过程的示意图，（h）水滴在不同针刺垂直距离结构表面的受力分析图。

图 5. 液滴发电机的电输出性能。（a）雾收集和能量收集平台的照片（b）D-TENG的起电机理示意图，（c）不同液滴下落高度的开路电压（d）本工作与目前水汽发电相关研究的输出电压对比，（e）不同雾流速下，水滴在1 h内产生的滴数（4个并联结构组合）和相对应的开路电压，（f）增加整流电路后，正/负电荷生成器的电荷转移示意图和转移电荷曲线，负电荷生成器的转移电荷曲线（g）和开路电压曲线图（h）。

图 6. 静电辅助水收集的性能。（a）静电辅助增强水收集的原理图，静电来源于水滴与FEP的摩擦起电和外加电子，（b）竖直向上的水雾被充电后的FEP吸引，铜线贴附在FEP背面，分别在未加电子（c）和外加电子（d）时将正面靠近水雾的光学图像，（e）雾滴在均匀静电场中的受力分析，（i, j）雾滴在外加电子电场中的受力分析（h）FEP细条（5 × 50 mm）表面在水滴滑落后的电荷转移，（i）液滴在FEP（5 × 50 mm）表面滑落后，FEP的水汽吸附能力（10 s内），（j）接地、摩擦静电辅助和外加电子增强的水收集效率。

综上所述，本文受甲虫翅鞘和仙人掌刺的启发设计了一种纤维素基非对称两亲性表面，结合自发的界面摩擦电吸附作用，实现了前所未有的水收集效率。高效的水收集效率主要源于两亲性纤维素酯涂层表面化学亲水组分（液滴成核位点）和疏水组分与非对称结构拉普拉斯压的协同作用。此外，本文系统地证明了液滴与水收集器表面之间自发的静电吸附及外加电荷增强的静电吸附作用。该系统不仅适用于多雾地区，还有望应用于热电厂、造纸厂冷却塔的蒸汽回收，同时也为缓解水-能源关系提供了一种通用的解决方案。

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

作者介绍

聂双喜，广西大学教授，博士生导师，“国家技术发明奖”和“国家霍英东青年教师奖”获得者。长期致力于先进纤维素功能材料的开发及其构效关系的深入解析，系统研究了纤维素材料摩擦起电性能影响及关键控制要点，开发了系列高性能纤维素摩擦电材料。研究成果形成了完整的调控纤维素摩擦电性能的理论体系，对实现高性能纤维素基摩擦电材料的应用具有重大意义。系列研究成果在Nature Communications、Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy、Small等国际著名期刊上发表SCI论文140余篇，所发表的论文近五年被国际同行引用4000余次，累计入选ESI热点论文1篇、ESI高被引论文13篇。共获授权发明专利27件，其中5项技术已实现成果转化，转让到校总经费387万元。

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