全球淡水危機正在加劇，主要受到氣候變化、人口增長和水資源管理不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊憽Ｄ壳埃s有20億人生活在水資源緊張的地區(qū)，預(yù)計這一狀況將在未來幾十年內(nèi)進一步惡化。與此同時，全球也面臨著日益嚴(yán)峻的能源危機。隨著工業(yè)化、城市化進程加快以及技術(shù)不斷發(fā)展，能源需求需求迅速增長，而傳統(tǒng)能源生產(chǎn)方式對環(huán)境的負面影響已變得愈發(fā)不可持續(xù)。水資源短缺和能源危機這兩個密切相關(guān)的問題，亟需開發(fā)能夠同時解決這兩大挑戰(zhàn)的技術(shù)。
近日，江蘇科技大學(xué)機械工程學(xué)院馮曉明副教授在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表題為“Bioinspired Dual-Function Device Integrating Fog Harvesting and Hydro-To-Electricity Conversion for Sustainable Supply of Freshwater and Electricity”的研究論文。
該研究以仙人掌的高效霧水收集能力和瓶子草的超快速水輸送特性為啟發(fā)，結(jié)合激光加工技術(shù)（包括脊柱和凹槽結(jié)構(gòu)設(shè)計）和化學(xué)改性技術(shù)（如潤濕梯度處理），創(chuàng)新性地設(shè)計并制造了一種協(xié)同優(yōu)化的仿生霧水收集器（BFWC）。此外，通過引入高導(dǎo)熱率的石墨烯材料，有效解決了霧水收集過程中釋放的熱量散失問題，進一步提升了裝置的性能。在此基礎(chǔ)上，將BFWC與固液摩擦納米發(fā)電機（具有相同基底結(jié)構(gòu)）相結(jié)合，開發(fā)出一種集霧水收集和水電轉(zhuǎn)換于一體的仿生雙功能裝置（BDFD）。
接著作者對優(yōu)化設(shè)計的生霧水收集器（BFWC）和仿生雙功能裝置（BDFD）性能進行表征。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的BFWC結(jié)構(gòu)顯著提升了霧水捕獲和輸送效率。與傳統(tǒng)霧水收集器相比，BFWC的霧收集效率達到48940 mg cm-2 h-1，較非仿生樣品提升了305%。同時，BDFD裝置輸出電壓達到12.5V，實現(xiàn)了28.9 nC的轉(zhuǎn)移電荷量，成功將霧能轉(zhuǎn)化為電能。這一成果不僅為霧能高效利用提供了新的技術(shù)路徑，更為全球范圍內(nèi)的可持續(xù)水和能源解決方案開辟了可能性。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金面上、江蘇省“青藍工程”、鎮(zhèn)江市基礎(chǔ)研究專項和江蘇科技大學(xué)“深藍人才工程”等項目的資助。
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