仿生雾水收集材料：从基础研究到性能提升策略

发布时间：2021-01-21 14:31

　　由于水资源污染、淡水资源日益匮乏,水危机已经严重影响到人们的日常生活。从晨雾中捕获水气则可以缓解干旱地区的缺水问题。受纳米布沙漠甲虫、仙人掌、蜘蛛丝等动植物自发捕集雾水的启发,构建特殊润湿性的仿生雾水收集材料备受关注。详细总结了仿生雾水收集材料的最新研究进展,讨论了仿生集水材料的设计和制备方法,并从雾水收集的四大仿生策略出发,介绍了提升雾水收集效率的设计方案。在此基础上,分析了当前仿生雾水收集过程存在的问题,展望了此类材料未来的发展趋势和方向。 

【文章来源】：化工学报. 2020,71(10)北大核心

【文章页数】：21 页

【部分图文】：

不同固体表面润湿性模型

蜘蛛丝的集水能力归因于其独特的微纳米纤维结构，但由于微小的水滴在纤维上会形成许多不规则的输水通道导致排水不畅，因此难以收集大量的水滴，而纳米布沙漠甲虫背部规则的亲水峰和疏水凹槽可以为解决排水不良问题提供巧妙的设计灵感。基于此，Wang等[81]在棉织物上喷涂正十八烷基三乙氧基硅烷后，将二氧化钛(Ti O2)纳米溶胶喷涂在超疏水纤维表面形成独特的光诱导超亲水凸起点，这些凸起物可诱导产生润湿性梯度和形状梯度，协同促进了水滴的融合和收集，而由交错纤维组成的棉织物提供了水滴凝聚通道。为了研究Ti O2的涂覆量与集水效率之间的关系，研究者以不同喷涂距离来制备材料样品，实验发现，在0.5～4 min内的雾水收集过程中，该复合结构样品的集水效果比单一结构的参照样品更加明显。最近，Xing等[82]结合沙漠甲虫背部的润湿性图案与蜘蛛丝的梯度结构特征来提高雾水收集效率，他们巧妙使用阳极氧化法来制作有序的亲水圆形图案，在氧化过程中，由于圆形图案被掩膜遮挡无法被氧化。另外，随着电流的逐渐增加以及电解质逐渐流失所引起的氧化差异可同时形成润湿梯度。利用此方法所得到的表面不仅提高了雾滴捕获性能，而且在雾滴收集过程中还可以与疏水基质保持有效的排水，从而实现连续的集水循环。3.3 多种仿生结构结合策略

如图10(a)所示，Li等[66]采用沉浸表面累积三维打印工艺(immersed surface accumulation based 3D printing)成功地制造出了仿仙人掌叶片上簇状的针形微结构。在加工过程中，光固化树脂被选择性地曝光从而形成特定的仿仙人掌簇状的针形微结构。结果表明，3D打印的仙人掌刺状微结构有助于水滴的凝结和运输，通过改变3D打印的仙人掌刺结构的表面疏水性可以进一步增加水滴凝结速率[图10(b)]。2.4 仿猪笼草口缘表面结构

【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生材料在集水领域应用的研究现状[J]. 陈振,张增志,杜红梅,王晗,王立宁,丛中卉,吴浩平.  材料工程. 2020(03)
[2]仿生超润湿材料的研究进展[J]. 文刚,郭志光,刘维民.  中国科学:化学. 2018(12)



本文编号：2991334