北航郑咏梅教授团队ACS Nano：梯度-Janus润湿性纤维于雾中实现同步集水和发电

水雾由微尺度的水滴和流动的空气组成，它可以看作是水源的一种形式，也可以看作是一种能量：雾中含有大量微米级液滴，雾在大气条件下可以高速运动，雾可以在一定高度运动，可见雾具有显著的表面能、动能和重力势能。考虑到这些特点，在仿生集水的研究中可以通过材料表面特殊的物理化学性质的设计来同时实现水资源和能量的同步收集。近日，北京航空航天大学郑咏梅教授研究团队利用受限液相受限修饰法制备出了一种梯度-Janus纤维，利用该纤维可以在雾中实现同步的水收集和电能输出。相关工作以“Gradient-Janus Wires for Simultaneous Fogwater Harvesting and Electricity Generation”为题发表在 ACS Nano。

该团队提出了一种新的受限液相修饰原理，实现了对材料表面非均匀润湿性精细调控，即，在对材料表面进行液相修饰以改变润湿性时，通过对反应中液相体系的分子扩散以及分布施加限制条件以实现在同一反应溶液中对同一材料表面不同位置同时实现非均匀的修饰（Advanced Functional Materials, 2022, 32(46): 2208117.）。基于该原理，成功地在直径细至0.3 mm的铜纤维表面实现了梯度-Janus润湿性的精确构筑（图1）。梯度-Janus润湿性纤维可以实现与不同倾角对应的液滴悬停、驱动、钉扎等不同液滴操控行为（图2）。在大倾角α为60°时，纤维在雾中集水时可在30 s内将0.6 mg的水悬停于纤维表面(质量随α的减小而增大)；在α = 4°时，纤维可在30 s内沿梯度方向输送3 mg水(α = - 10°时最大传送质量达到4.3 mg)，最后将水滴钉扎在纤维末端（图3）。基于此设计一种有多跟纤维组成的“雾轮”（GJWs-wheel），该雾轮可以在集水的过程中产生扭矩，驱动旋转并发电。将该“雾轮”负载线圈并置于强磁场中，即可实现同步的雾中集水和利用毫克级的水生电。装置输出峰值电压为7.4 mV(图4)，输出功率最高达0.25 μW。

图 1. 基于受限液相修饰原理在铜纤维表面精确构筑梯度-Janus润湿性，该纤维具备优异的液滴定向驱动和反向悬停能力。

图 2. 梯度-Janus润湿性纤维可以实现与不同倾角对应的液滴悬停、驱动、钉扎等不同液滴操控行为。基于此设计一种有多根纤维组成的“雾轮”（GJWs-wheel），该雾轮可以在集水的过程中产生扭矩，驱动旋转并发电。

图 3. 梯度-Janus润湿性纤维表现出优异的与倾角相关的液滴悬停、驱动、钉扎能力。梯度-Janus润湿性使得纤维能在悬停区悬停更多的水，并在驱动区输送更多的水至末端，产生更大的扭矩。

图 4. 雾中集水发电装置及工作机制示意图。

小结：该工作在受限液相修饰原理基础上制备了一种梯度-Janus润湿性纤维，该纤维展示了多样化的液滴操控能力：液滴悬停、定向驱动、钉扎。利用该纤维组装的“雾轮”可以在集水的同时实现电能的输出。在此研究的基础上对线圈组件的摩擦润滑进行进一步的优化后有望实现发电效率的提高，该工作对仿生集水中的能量收集具有一定的指导意义。

来源：高分子科学前沿

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