固-液界面的摩擦起電與表界面性質(zhì)息息相關(guān)，在界面雙電層理論、油液摩擦靜電防護(hù)、潤滑與潤濕性原位監(jiān)測、新型能源收集等研究領(lǐng)域中已成為新的熱點(diǎn)，但其內(nèi)在工作機(jī)制及其應(yīng)用仍是亟需探究的關(guān)鍵難題。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王道愛研究員團(tuán)隊(duì)近年來在固-液界面摩擦起電機(jī)理、調(diào)控策略及其應(yīng)用等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。
固-液界面摩擦起電受材料表面成分、結(jié)構(gòu)、潤濕性、液體性質(zhì)等諸多因素的影響。表面成分的不同影響其摩擦起電得失電子的能力，表面結(jié)構(gòu)及潤濕性影響其接觸面積及摩擦電荷的雙電層性質(zhì)，液體的離子濃度、酸堿性影響固體表面對離子的吸附。近期，該團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)研究，揭示了水-固、油-固界面摩擦起電的影響因素及機(jī)理，發(fā)展了基于結(jié)構(gòu)與組分設(shè)計(jì)、非對稱離子排布（圖1a）、潤濕性（圖1b、c）等因素的固-液界面電荷調(diào)控策略。相關(guān)成果發(fā)表在Small（2023, 2301568）和Nano Energy（2022，104, 107930）上。
為了對界面摩擦及潤濕狀態(tài)進(jìn)行原位實(shí)時監(jiān)測，研究人員在兩親性聚合物表面分別制備了不同結(jié)構(gòu)梯度的微米、納米以及微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)來調(diào)控界面潤濕性，系統(tǒng)研究了摩擦起電行為和潤濕動力學(xué)的關(guān)系，揭示了表面微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控潤濕轉(zhuǎn)變行為的機(jī)制，該研究可應(yīng)用于量化潤濕動力學(xué)狀態(tài)的變化（圖2）。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Science(2022, 9, e2200822)上。此外，基于固-油界面的摩擦起電性質(zhì)，研究人員設(shè)計(jì)了一種新型無線預(yù)警靜電傳感器，當(dāng)油中的電荷達(dá)到預(yù)定臨界值時可發(fā)出報警信號，以避免火災(zāi)或爆炸，為石油工業(yè)的防靜電設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)成果發(fā)表在Nano Energy（2022，104, 107930）上。
基于摩擦起電效應(yīng)和放電效應(yīng)，研究人員設(shè)計(jì)了一種類文丘里管的流體通路結(jié)構(gòu)，對高速運(yùn)動氣液兩相流的摩擦起電行為進(jìn)行研究。通過結(jié)構(gòu)分析和理論模擬揭示了摩擦起電和放電的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理，研究結(jié)果對認(rèn)識多相流與固體界面之間的摩擦起電行為及其應(yīng)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)參考。另外，研究人員通過弧度設(shè)計(jì)進(jìn)一步調(diào)控了界面的水滴鋪展面積和滑移速度，進(jìn)一步提高了界面摩擦起電的效率，為界面起電調(diào)控及其能量收集利用提供了新思路。相關(guān)成果發(fā)表在Science Advances（2022, 8, eadd0464）、Nano Energy （2022, 102，107694)上。
基于上述研究，該研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)總結(jié)了固-液界面摩擦起電的機(jī)理、策略及其應(yīng)用（圖3），探討了影響界面電荷產(chǎn)生與應(yīng)用的關(guān)鍵因素，展望了其研究前景和面臨的瓶頸問題，該研究對全面深入認(rèn)識固-液界面的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理，調(diào)控策略及其應(yīng)用提供了重要參考，相關(guān)成果近期發(fā)表在Advanced Functional Materials（2023, 33，2300764）上。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)B培育和甘肅省重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。
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