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化工学院马学虎教授团队在冷凝集水领域取得新进展



时间:2021-07-05 作者: 点击:[]

近年来,世界范围内的水资源短缺正成为人类社会发展的严重威胁,湿空气无处不在,对气候和地理限制的依赖程度低,湿空气冷凝成为一种可靠且有前景的集水方法。然而冷凝是一个涉及多时间尺度和多空间尺度的复杂过程,不同的冷凝阶段对表面特性提出了相互矛盾的要求,开发能够同时满足冷凝各阶段不同需求的功能表面具有重要意义,但也具有极大挑战性。

近日,我校马学虎教授团队与香港城市大学王钻开教授团队、华东师范大学周晓峰副教授团队合作,构建了具有梯级润湿性的仿生表面,在亲水表面上实现了高效的滴状冷凝集水。相关研究成果以“Rapid and Persistent Suction Condensation on Hydrophilic Surfaces for High-efficiency Water Collection”为题,于2021626日发表在Nano Letters上,大连理工大学为第一单位。

 

1 马学虎教授团队最新成果作为封面文章发表于Nano Letters

研究团队从自然界汲取灵感,通过模仿苔藓紫罗兰特殊的细胞结构和集水功能,设计并制备了亲水性仿苔藓紫罗兰多孔表面(Rhacocarpus-inspired porous surface,简称RIPS),通过微米尺度通孔阵列的空间限制效应、纳米尺度沟槽结构的前驱液膜作用和三维梯级润湿性所产生毛细力梯度,在亲水表面上实现了持续、快速的冷凝水定向抽吸和高效的滴状冷凝。基于RIPS在液滴核化能力增强、冷凝表面的更新频率加快、液滴脱离尺寸减小等多方面的协同作用,冷凝集水效率相比疏水表面提高了约160%。文中阐明了RIPS设计中所包含的纳米沟槽、微孔和表面润湿性对冷凝水定向抽吸性能影响的物理机制,并给出了材料设计关键参数与凝液抽吸性能之间关系的相图。该工作为应用于集水、相变传热、膜蒸馏等领域的功能材料开发提供了新的设计途径和有力的支撑。

 

2. a. 湿润的苔藓紫罗兰及其细胞壁结构;b. 仿生表面RIPS形貌及润湿性表征 c. RIPS定向抽吸的宏观微观可视化表征及工作原理示意图d. RIPS设计的关键参数与凝液抽吸性能关系的相图;e. RIPS冷凝集水性能

该工作入选美国化学学会(ACS)的ACS Editors' Choice窗口推荐论文(https://pubs.acs.org/editorschoice/,26 June 2021)。ACS Editors' Choice是美国化学学会推出的一项扩大刊物影响力的举措,该项目每天从所有ACS开办的同行评议期刊中推选一篇具有重大科学意义的优秀论文置于ACS主页内的“ACS Editors' Choice”窗口进行亮点报道,相当于每天的头条或主题文章,推荐选定的论文必须代表每个杂志所有论文的最高水平。入选的文章由美国化学会支持成为即时永久开放获取(Open Access)的论文,且无需论文作者付费。

以上工作得到了国家自然科学基金、香港创新科技基金和中央高校基本科研业务费专项基金的支持。大连理工大学化工学院毕业生程雅琦博士为本文第一作者,香港城市大学王钻开教授、大连理工大学马学虎教授、华东师范大学周晓峰副教授为本文共同通讯作者。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01928    

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