东南大学张友法团队Small封面：超疏水单元胞涂层用于高效捕雾集水

纳米人

2024-04-10

  据统计，目前全球工业蒸汽有效利用率仅为30-40%，蒸汽水资源浪费十分严重，而全球有接近2/3的人口面临严重的水资源紧缺问题。近年来，受荷叶效应启发，学者们利用仿生技术制备了一系列超疏水材料，由于其独特的微纳米结构和低表面能化学性质，可促使表面凝结的水滴快速脱附，在捕雾集水领域具备极大潜力，但使用寿命短严重限制了其实际应用。这主要是由于：（1）超疏水捕雾集水需要最小化的固-液接触分数，但应力集中也会导致精细的微结构易被破坏；（2）降低涂层表面能虽有利于促进露滴脱附，但又会产生涂层内聚力和附着力弱的问题。过去的数十年中，学者们进行了大量的尝试来解决这些矛盾，却始终难以满足实际应用的要求。

针对上述问题，东南大学张友法教授团队与中国船舶集团有限公司第七二三研究所李龙研究员团队合作，设计了一种二元协同超疏水单元胞，其设计核心在于将超疏水纳米颗粒（种子）负载于亲水的硬质多孔微米陶瓷颗粒（微壳）中，具有高强度、非均匀表面化学性质等独特的物化性质；用其掺杂改性常用的树脂涂层，可同时赋予机械稳定性和高效捕雾集水性（图1）。相关成果 “Damage Tolerance of Superhydrophobic Coatings with Binary Cooperative Cells for Water Harvesting”以正封面论文形式在线发表于《Small》，文章第一作者为七二三所顾万诚博士和东南大学夏雅阁博士。    

图1. 期刊封面图和首页

上述超疏水单元胞涂层具有优异的长效性与自修复性能。首先，耐磨性较已报道的超疏水涂层提高了30-100倍（图2a-b）；其次，涂层可承受落沙冲击、水流冲击等机械冲击，为抵御干旱地区中的沙尘和风暴奠定了基础；第三，涂层可以承受户外暴露、化学侵蚀、热冲击和水中浸泡等环境外力作用，显示出优异的环境稳定性（图2c-d）。更重要的是，即使涂层受损失效，也可通过简单的砂纸打磨实现瞬时原位自修复，这是传统自修复超疏水涂层难以实现的（图2e-f）。

图2. 单元胞涂层的长效性

图3. 单元胞涂层的捕雾集水性能

对于单元胞涂层的捕雾集水性能，超疏水单元胞颗粒中的亲水微壳作为活性位点可以加速水蒸气吸附、集聚和凝结，而超疏水纳米种子则起到促进露滴的脱附、凝露再循环的作用。在此二元协同作用下，集水效率显著提高（图3a-b）。有趣的是，机械损伤会增加涂层的亲水位点以及促使纳米种子释放保持对露滴的排斥性，从而进一步加快涂层的集水速度，相较于已报道的涂层提高了1个数量级（图3c-f）。

总结

这项研究解决了超疏水涂层在结构、化学性质、和表面/体相性能方面的矛盾问题，并同时赋予了涂层长效性和捕雾集水性能，对于超疏水涂层用于解决水资源短缺问题具有重要的参考意义和应用价值。

参考文献

Wancheng Gu et al. Damage Tolerance of Superhydrophobic Coatings with Binary Cooperative Cells for Water Harvesting. Small, 20, 2307561 (2024).  https://doi.org/10.1002/smll.202470101