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  社會對綠色、可持續(xù)和低成本能源的巨大需求推動了對新能源的廣泛探尋。研究人員和工程師現(xiàn)在正將注意力轉(zhuǎn)向利用雨滴、河流和潮汐中的水能量，或利用海洋和河流界面處的鹽度梯度產(chǎn)生的能量。對于這些應(yīng)用，操縱界面處液體質(zhì)量和動量的傳輸效率以及界面電荷產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移的速度對于能量轉(zhuǎn)化、收集、儲運至關(guān)重要。在這方面，受生物啟發(fā)的超浸潤界面的獨特結(jié)構(gòu)和潤濕性可用于設(shè)計介電材料并操縱它們與液體的相互作用，從而大幅改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)或?qū)崿F(xiàn)新技術(shù)、新應(yīng)用。

  近期英國帝國理工學(xué)院的李明博士，李昶博士聯(lián)合Bamber Blackman教授，Eduardo Saiz教授評述了利用超浸潤界面實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的研究進(jìn)展。這些研究在能轉(zhuǎn)換設(shè)備的設(shè)計中引入超親水界面、超疏水界面、可切換超滑含液界面(SLIPS)或離子通道，實現(xiàn)了壓電/摩擦生電/熱釋電納米發(fā)電機以及藍(lán)色能源的收集（圖1）。除了概述這些超浸潤能量轉(zhuǎn)化體系的發(fā)展軌跡外，文章在最后還為讀者分析了超浸潤界面在能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的優(yōu)勢、當(dāng)前挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢。相關(guān)觀點綜述以“Energy Conversion Based on Bio-inspired Superwetting Interfaces”為題發(fā)表于國際頂尖期刊Matter上。

圖 1 能量轉(zhuǎn)換設(shè)備中引入超浸潤界面

一、 水能收集與發(fā)電

  在超疏水或超滑表面上，液滴不易殘留且容易通過微納米結(jié)構(gòu)自驅(qū)動或通過微小外力驅(qū)動液滴在材料表面定向輸運，這對于提升能量利用或轉(zhuǎn)化率至關(guān)重要。例如，在壓電材料上構(gòu)建超疏水表面，即壓電納米發(fā)電機(PENG)，可用于收集雨滴動能發(fā)電并顯著提高其壓電發(fā)電電壓（圖 2A）；在摩擦生電材料材料上構(gòu)建超浸潤界面（圖 2B），即摩擦生電納米發(fā)電機(TENG)，可實現(xiàn)收集海浪機械能發(fā)電，并顯著提高其發(fā)電性能。更精妙設(shè)計的微納米結(jié)構(gòu)、浸潤性界面，并與電路設(shè)計結(jié)合，可進(jìn)一步實現(xiàn)較大規(guī)模發(fā)電（圖 2C），最新研究可實現(xiàn)接近家用電指標(biāo)。

圖 2超浸潤界面大幅提升水能發(fā)電效率

二、 熱管理

  水由于具有高比熱容、較高汽化潛熱的特性，被認(rèn)為是輸運熱量的優(yōu)良載體。將可操縱水滴的超浸潤界面應(yīng)用于熱管理相關(guān)技術(shù)，可使相應(yīng)功能大幅改善。例如，超親水表面上液滴容易形成快速擴散并形成水膜，而超疏水表面上液滴呈現(xiàn)球形易實現(xiàn)低阻定向滾動，引入這些超浸潤界面對于相應(yīng)液滴冷凝熱量轉(zhuǎn)移技術(shù)（圖 3A）的改進(jìn)至關(guān)重要。此外，碳纖維、碳納米管、石墨烯等碳材料可實現(xiàn)利用太陽能產(chǎn)生蒸汽，引入超親水界面可使液滴快速擴散加速蒸發(fā)，顯著提高蒸汽產(chǎn)生效率，相關(guān)技術(shù)還可進(jìn)一步與海水淡化、蒸汽發(fā)電等結(jié)合（圖 3B）。

圖 3 超浸潤界面的熱管理相關(guān)應(yīng)用

三、 離子超流（QSF）

  除傳統(tǒng)的超親水、超疏水特殊浸潤性表面外，具有特殊浸潤性的納米通道界面，在推動用于能量存儲和轉(zhuǎn)換的超浸潤表面的發(fā)展方面也起著至關(guān)重要的作用，尤其針對促進(jìn)低能耗的超快傳質(zhì)行為。基于離子通道的超流體的典型用途之一是鋰電池，其電極界面對電解質(zhì)具有超親液性。在鋰電池的充放電過程中，二維受限層狀結(jié)構(gòu)中鋰的氧化還原反應(yīng)具有超密有序和超流動的特點，產(chǎn)生高能量密度和快速充放電。通過原位透射電子顯微鏡 (TEM) 和密度泛函理論 (DFT) 計算可證明：鋰電池中兩個石墨烯片之間鋰的可逆超密排序是鋰電池高存儲容量的來源（圖 4D）。此外，在充電或放電過程中，鋰離子在具有鋰離子德拜長度 (λ_D) 的二維受限通道中的傳輸以超流體的形式發(fā)生。這種二維密閉通道中的 QSF 離子傳輸是鋰電池快速充放電過程的關(guān)鍵因素，明顯優(yōu)于基于離子擴散的充放電過程，從而保證了高效率（圖 4E）。

圖 4 量子限域離子超流體以及其在能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用

四、 具有智能離子通道的仿生膜

  鹽度梯度（藍(lán)色能量）是一種可再生能源，大量存在于海洋和河流之間的界面。近年來，研究人員通過反向電滲析 (RED) 將鹽度梯度能量轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)兩種不同鹽度的溶液通過選擇性離子滲透膜連接時，膜會產(chǎn)生凈電流，該電流僅允許具有相反極性的離子通過（圖 5A）。其中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)是膜表面的離子通道。對于具有對稱結(jié)構(gòu)的離子通道，在能量轉(zhuǎn)換過程中，反離子會在稀溶液一側(cè)富集，這會抑制共離子的有效傳輸，從而降低效率。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)自然界中電鰻在電擊過程中不受這種限制的影響。進(jìn)一步研究表明，這主要是由于電鰻細(xì)胞中嵌入的鉀離子通道的不對稱結(jié)構(gòu)，膜上的相反電荷可以有效地阻止反離子在其附近的稀溶液中積累。這種結(jié)構(gòu)使細(xì)胞膜上的鉀離子通道能夠持續(xù)快速地向內(nèi)整流 K⁺，從而產(chǎn)生高電流（圖 4B）�；陔婗牸�(xì)胞離子通道的不對稱結(jié)構(gòu)，研究人員開發(fā)出來各種不同尺寸和材料的具有單向離子傳輸特性的異質(zhì)膜用于鹽度梯度的能量的收集（圖5B-F）

圖 5. 具有用于鹽度梯度能量收集的智能離子通道的仿生膜

  文章在最后還指出，目前大多數(shù)能源設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)是將輸出電壓或功率密度增加到實際使用所需的值。一個障礙在于大多數(shù)研究僅采用單一的超疏水或超親水設(shè)計，具有更精妙設(shè)計微/納米結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的界面有待于進(jìn)一步被用于能源領(lǐng)域研究，如梯度浸潤性界面、刺激響應(yīng)界面^[1]等。其它在仿生浸潤性領(lǐng)域被進(jìn)行功能化應(yīng)用研究的界面^[2]，相關(guān)研究也應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步在能源領(lǐng)域被推進(jìn)。例如，可嘗試將操縱冰滴運動的防覆冰表面與納米發(fā)電機設(shè)備結(jié)合，用于研究冰力發(fā)電、冷能發(fā)電等技術(shù)。另一方面，關(guān)于離子通道，現(xiàn)有納米多孔膜的選擇性和滲透性之間的權(quán)衡阻礙了它們的實際應(yīng)用。膜在常溫常壓下工作時，若要提高膜的選擇性，則其滲透性往往會降低，反之亦然。因此，如何通過調(diào)整離子通道的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分來結(jié)合高選擇性和超快滲透性來提高膜的效率和功率密度是研究人員需解決的問題。此外，這類基于超浸潤界面的能量轉(zhuǎn)化設(shè)備還必須能夠展現(xiàn)一定程度的穩(wěn)定性或長期耐用性，以保證能量長期穩(wěn)定輸出。

  原文鏈接：

  Ming Li ,* Chang Li,* Bamber R.K. Blackman, Eduardo Saiz*. Energy conversion based on bio-inspired superwetting interfaces. Matter 2021, 4(11), 3400–3414.

  https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.018 

  https://authors.elsevier.com/c/1e0ie_wvImiLjl (期刊授權(quán)作者開放分享鏈接，12月23日前有效)

  參考文獻(xiàn)：

  [1] Chang Li*, Ming Li*, et al. Stimuli-responsive surfaces for switchable wettability and adhesion. Journal of the Royal Society Interface, 2021, 18: 20210162.

  https://doi.org/10.1098/rsif.2021.0162

  [2] Ming Li, Chang Li*, et al. Mimicking Nature to Control Bio-Material Surface Wetting and Adhesion. International Materials Reviews, 2021.

  https://doi.org/10.1080/09506608.2021.1995112

  通訊作者簡介

李昶 博士

英國帝國理工學(xué)院，機械工程系，師從Bamber Blackman教授，主要研究方向為材料表面浸潤與粘附性，包括復(fù)合材料粘接前表面預(yù)處理及其微納米形貌、浸潤性表征等。2019年碩士畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，碩士期間師從鄭詠梅教授研究仿生超浸潤微納米界面材料。

李明 博士

英國帝國理工學(xué)院，材料系，先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷中心，師從Eduardo Saiz教授，帝國理工“校長學(xué)者”團隊成員。目前的研究涵蓋材料化學(xué)的許多領(lǐng)域，包括智能軟物質(zhì)的構(gòu)造（超分子聚合物和凝膠，自組裝聚合物納米結(jié)構(gòu)）以及具有戰(zhàn)略意義的智能界面材料（多級響應(yīng)的界面，特殊浸潤性功能界面）。

Eduardo Saiz 教授

英國帝國理工學(xué)院，材料系，先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷中心（CASC）主任，曾在勞倫斯伯克利國家實驗室擔(dān)任研究員。當(dāng)前的主要研究方向包括開發(fā)用于制造陶瓷基或石墨烯基復(fù)合材料的新加工技術(shù)，尤其是具有開發(fā)仿生超浸潤結(jié)構(gòu)的多層復(fù)合材料并研究高溫界面現(xiàn)象，開發(fā)仿生骨組織新材料等。