导读
收集由不同带电液滴组成的雾水，是应对淡水危机的潜在策略之一。利用带电表面和液滴之间的静电吸引力，可以有效提高捕获效率，从而实现雾水高效收集。然而，通过引入电荷来增强静电吸引力的策略面临持久性的挑战。
近期，东华大学蔡再生教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“A Molecular Confine-Induced Charged Fiber for Fog Harvesting”的研究成果。该工作采用湿法纺丝工艺，通过分子本征极性调控和润湿性梯度设计，成功制备了具有持久高表面电位的Janus-PAN纤维。由该纤维制成的竖琴收集器可实现1775 mg/(cm2·h)的集水效率，是传统低表面电位、无润湿梯度纤维收集器的2.6倍。该研究为新一代雾收集纤维材料的结构设计和可控制备提供了新思路。
正文
水滴自发带电而产生引力和聚结，是雾形成的重要原因。这种带电现象主要由图1a中3个因素引起。(1)嵌入电荷：重力和气流促进碰撞，使带电粒子融入水滴中；(2)电离电荷：水分子在蒸发和凝结过程中解离，产生质子和氢氧离子；(3)极化电荷：水分子的极性造成内部电荷不平衡。
通常分子极性越大，其表面电位越高，越有利于水分子的吸附。在聚合物中聚丙烯腈（PAN）重复单元的偶极矩较大（3.6 D），分子极性较强，是制备高表面电位纤维的理想材料。由于氰基的电负性较大，且在制备过程中引起表面极化，PAN纤维表面呈现较高的负电位，从而与水分子产生强大的静电相互作用，有助于提高雾的捕获效率（图1b-e）。
图1 表面电位驱动雾水收集纤维的提出及设计原理
如图2a所示，采用湿法纺丝工艺制备PAN纤维。随着凝固浴碱性增强，PAN分子发生部分水解，导致原来的氰基转化为羧基。此外，通过盐酸羟胺处理在中性凝固浴中制备的PAN纤维可获得表面带正电位的纤维，从而有助于研究正负电位对雾水收集的影响。采用原位分子限域改性提高纤维表面电位的绝对值或改变其极性，可确保纤维电位不受环境湿度波动的影响（图2b-f）。
图2 稳定高表面电位纤维的制备
图3（a-f）所示，采用XRD、FTIR、XPS等测试手段进一步验证了纺丝过程中PAN分子产生的变化。从图3g可以看出，随着凝固浴的pH从3变为13，PAN纤维的表面电位从-12 mV升高到-43 mV。由于氧原子的电负性较大，羧基的极性大于氰基，从而使PAN纤维的表面电位升高。在盐酸羟胺与腈基的反应中，PAN中腈基的转化率（CR）随反应时间的变化如图3h所示，反应5 h后CR达到约78%，同时PAN纤维的表面电位达到+41 mV（图3i）。
图3 稳定高表面电位纤维的表征
高效收集雾水主要取决于有效捕获雾滴和快速传输定向水。当基质表面呈现高电位时，会对具有相反电位的雾滴产生强大的静电吸引力，从而促进雾滴的捕获（图4a-c）。在收集雾水的测试中，表面电位越高，水滴在纤维表面的聚集速度越快（图4d）；当纤维表面电位为-43 mV时，水收集效率（WCR）达到峰值774mg/(cm2·h）（图4e）。垂直放置纤维的WCR大约是水平放置纤维的1.5倍（图4f-g）。对于带正电的PAN纤维，随着改性时间的增加，表面电位逐渐上升，WCR从683mg/(cm2·h)增加到751mg/(cm·h)（图4h-i）。
图4 稳定高表面电位纤维的工作机理
图5 Janus-PAN竖琴收集器的设计与性能评估
在户外测试中，Janus-PAN竖琴收集器也表现出良好的集水能力，收集的水可用于农业灌溉和水产养殖。与其他材料相比，Janus-PAN竖琴具有良好的使用性能和较低的生产成本（图6）。
图6 Janus-PAN竖琴收集器的应用
综上所示，该工作开发了一种分子限制诱导电位控制技术，能稳定保持材料的表面电位不受湿度变化的影响。利用该技术制备的Janus-PAN纤维可同时实现雾水高效捕获和水分定向快速传输。但是，过高的表面电位可能会阻碍水滴的脱落，从而导致收集效率下降。此外，验证了Janus-PAN竖琴收集器在农作物灌溉中的广泛适用性。这种新颖的雾水收集策略为非对称润湿性界面的流体管理提供了新的启示。东华大学博士研究生计雅婷为本文的第一作者，蔡再生教授为本文的通讯作者。
原文信息
Yating Ji, Weifeng Yang, Xiaoyan Li, Yinjie Chen, Bi Xu, Zaisheng
Cai *. A Molecular Confine-Induced Charged Fiber for Fog Harvesting. Adv.
Fiber Mater., 2024.
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00474-w（来源：Advanced Fiber Materials、NTMT纺织新材料）
商务合作：13166069626
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