成果简介

由于地理条件的限制,缺水缺电一直是偏远地区的关键问题。在众多潜在的解决方案中,使用薄膜的雾收集技术已被公认为是在干旱地区收集水的有效方法之一。本文,台湾科技大学洪維松教授等研究人员在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Graphene-based biomimetic array film for simultaneous fog water harvesting and wind power generation”的论文,研究受自然界的沙漠甲虫中汲取灵感启发,制造出了一种涂覆在疏水性 PVDF/ 石墨烯(PG)薄膜上的仿生物壳聚糖亲水阵列,它能够高效地收集雾水,效率高达 0.63 LMH。

石墨烯和离子液体(IL)被用来协同诱导 PVDF结晶相自组装成压电β相,最终优化的 PG/IL1.5wt% 薄膜的电压输出可达13V(±6.5 V)。在对薄膜的水和电提取进行综合评估后,结果表明在 4 米/秒的雾风速度下,水收集效率为0.74LMH,发电量为99.2mW/m2。基于上述研究成果,我们证明了利用雾和风作为驱动力的单一薄膜可同时实现产水和发电,为未来开发下一代功能薄膜提供了新的研究方向。

图文导读

图1. 用于同时收集雾气和风力发电的 PG/ILx wt% 薄膜:(a)示意图;(b)水滴捕获能力;(c)最佳薄膜的压电响应。

图2. (a)-(e) 不同 IL 含量的 PG 薄膜的数码照片和扫描电镜图像。列表示不同的样品条件:PVDF(a、f、k);PG(b、g、l);PG/IL0.5 wt%(c、h、m);PG/IL1 wt%(d、i、o);PG/IL1.5 wt%(e、j、p)。

图3. PG/ILx wt% 薄膜的物理特性:(a)亲水性;(b)粗糙度;(c)12°-23° 范围内的 XRD 图样;以及(d)每种薄膜的 S-S 曲线。

图4. (a)-(d) PG/IL1.5 wt% 薄膜、(e)-(h) CS、(i)-(l) PVA、(m)-(p) SA 和(q)-(t) PDMS 阵列的 SEM 表面图像和 EDS 元素图谱

图5. 尺寸为 (a) 5×8厘米、(b) 5×10厘米和 (c) 5 × 12 厘米的薄膜的输出电压信号;(d) 5×10厘米薄膜在静态和风速为 3、4 和 5 米/秒时的摆动角度;以及 (e) 其压电电压输出(峰峰值,Vpp)。

图6. (a) 原理图;(b) 0.2 毫米 CS 阵列、5×10厘米的PG/IL1.5wt%薄膜在4米/秒风速下收集的水和产生的电的重量。

小结

在本研究中,我们成功制备了具有亲水阵列的 PG/IL1.5 wt% 压电薄膜,该薄膜可同时实现雾水收集和风力发电的目标。我们研究了 PVDF、石墨烯和 IL 之间的协同作用力,这些作用力诱导分子链排列从 α 相转变为压电 β 相。通过在薄膜上涂覆0.2毫米的壳聚糖阵列网,它能够在雾气收集过程中促进水滴凝结和滚动解吸,从而使水收集效率高达 0.63 LMH。最后,我们验证了可同时收集雾水和风力发电的原型装置的可行性。结果表明,在 4 米/秒的雾风速下,集水效率为 0.74 LMH,发电量为 99.2 mW/m2。总之,这项研究为解决偏远地区缺水缺电问题提供了一个全面的解决方案。

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