超疏水表面微纳二级结构对冷凝液滴最终状态的影响

从超疏水表面(SHS)上初始冷凝液核长大、合并、形成初始液斑开始,分析计算了冷凝液斑变形成为Wenzel或Cassie液滴过程中界面能量的变化,并以界面能曲线降低、是否取最小值为判据,确定冷凝液滴的最终稳定状态.计算结果表明:在只有微米尺度的粗糙结构表面上,冷凝液滴的界面能曲线一般都是先降低再升高,呈现Wenzel状态;而当表面具有微纳米二级粗糙结构,且纳米结构的表面空气面积分率较高时,冷凝液滴的能量曲线持续降低,直至界面能最小的Cassie状态,因此可以自发地形成Cassie液滴.还计算了文献中具有不同结构参数的SHS上冷凝液滴的状态和接触角,并与实验结果进行了比较,结果表明,计算的冷凝液滴状态与实验观察结果完全吻合.因此,微纳二级结构是保持冷凝液滴在SHS上呈现Cassie状态的重要因素.     

纳米结构表面上冷凝液滴的生长模式及部分润湿液滴的形成机制

分析并计算了纳米结构表面上冷凝液滴按照不同途径长大的过程中液滴能量的增加速率, 并以能量增加最小为判据来确定液滴的生长途径. 结果表明, 纳米结构内形成的冷凝液斑在初期按接触角(CA)增加的模式生长时, 其能量增加速率远低于其它模式, 于是, 初始液斑先按增大接触角、并保持底面积不变的模式生长, 直至液滴达到前进角状态. 此后, 沿接触角增加的模式长大所导致的能量增加速率开始远高于其它生长模式, 于是液滴三相线开始移动, 底面积开始增加, 但接触角保持不变. 液滴所增加的底面积可以呈润湿或复合两种状态, 分别形成Wenzel 液滴及部分润湿液滴, 前者的表观接触角一般小于160°, 而后者则明显大于160°. 液滴的生长模式及其润湿状态均与纳米结构参数密切相关, 仅当纳米柱具有一定高度、且间距较小时, 冷凝液滴才能呈现部分润湿状态. 最后, 本模型对纳米结构表面上冷凝液滴润湿状态的计算结果与绝大部分实测结果相一致, 准确率达到91.9%, 明显高于已有公式的计算准确率.     

超疏水性表面在冷凝条件下的润湿特性

采用测量接触角和观测偏光显微镜对超疏水表面在冷凝条件下的疏水特性进行了研究, 发现冷凝蒸汽进入超疏水表面的微凸起内冷凝, 表面的疏水特性被破坏, 表面的润湿特性变得不均匀, 部分区域甚至呈现亲水状态. 根据实验结果提出了冷凝条件下粗糙表面表观接触角的计算模型, 并使用冷凝条件下表面接触角的测量结果进行了验证.     

仿生超疏水表面的抗冷凝失效研究进展

在存在一定过冷度或蒸汽过饱和度的条件下,水蒸汽可在固体表面凝结成核.随着过冷度增大,液滴成核半径将随之减小,冷凝液滴的生长融合将无法避免地发生在超疏水表面不可或缺的微/纳米结构内.若液滴不能及时排出,则会滞留在表面结构内并挤出空气,形成局部浸润,导致材料表面的超疏水性能下降或失效,甚至引起泛洪.本文首先总结了表面因冷凝...     

冬瓜皮表面白霜的超疏水性研究

冬瓜是一种常见的蔬菜,大部分品种成熟时表面覆盖一层类似于"白霜"的粉末。本文使用扫描电镜、接触角测量仪、傅立叶变换红外光谱、X射线衍射仪等设备对冬瓜皮表面白霜的浸润性、结构形貌及其组成进行了研究,证实了冬瓜皮表面白霜的超疏水特性,水滴在其表面的接触角高达154.8±3.5°,且滚动角小于5°。研究表明,冬瓜皮表面的白霜呈现微纳米多级拓扑结构,主要由长链脂肪酸、长链烷烃酯类组成,这种微纳米拓扑结构和化学组成的协同作用决定了冬瓜皮表面的超疏水性。本工作可为进一步了解、设计此类结构材料提供数据积累。     

具有微纳米结构超疏水表面润湿性的研究

本文综述了近年来具有微纳米结构超疏水表面的研究进展。介绍了具有微纳米结构超疏水表面的制备方法,表面结构对超疏水性能的影响,周期性结构表面超疏水的条件,超疏水表面接触角滞后以及功能化超疏水表面等方面的研究,探讨了这一领域存在的问题及可能的发展方向。     

超疏水性材料表面的制备、应用和相关理论研究的新进展

文章总结了Wenzel方程、Cassie方程及一种具有极高精确度的,可方便测出固体表面上液滴前进角和后退角的测试方法等超疏水表面的最新理论研究成果;回顾了溶胶凝胶法、化学修饰法、喷涂法、液相法、化学蚀刻法、水热法、微相分离法、原位聚合法、静电纺丝法、阳极氧化法等近几年出现的超疏水表面的制备方法;介绍了在微物质能量、生物医学、光学、燃料以及电池应用等领域超疏水表面的最新功能性的应用。最后,客观地展望了超疏水表面制备及理论研究的发展方向。     

不同超疏水铜表面的湿法氧化制备及抗冷凝性能

分别以过硫酸钾、 过硫酸铵及氨水为氧化剂, 在铜表面制得纳米结构, 并用十七氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-17)进一步氟化处理, 获得了差异化超疏水表面. 比较了不同氧化剂对反应结果的影响, 并分析了氧化反应的历程. 实验结果表明, Cu首先被O₂氧化成CuO超薄层, 然后水解变成Cu(OH)₂, 并进一步被OH^-或NH₄OH络合成蓝色溶液. 不同形貌纳米结构是Cu(OH)₂在饱和析出过程中沿固定晶面堆砌的结果. 最后对不同纳米结构超疏水表面的耐水蒸气冷凝情况及微观机理进行了分析, 证实只有较密、 较垂直的纳米针结构表面才耐水蒸气冷凝, 即冷凝水滴在其上出现快速自迁移现象.     

透明超疏水纳米阵列的构建及露滴自弹跳特性

利用溶胶-凝胶技术制备氧化锌晶种层,再通过化学氧化法在FTO玻璃表面制备了高度垂直取向的氧化锌纳米棒阵列.研究了晶种溶胶浓度和液相化学生长时间对阵列纳米结构形貌的影响规律和作用机理,并进一步分析了表面润湿性和透明性的变化情况.通过氧化锌纳米棒阵列的可控构建,获得了平均透光率可达95%的透明超疏水表面.密集生长的纳米阵列使得该表面在稳态结露条件下,直径约10μm的小尺度球状露滴合并后易发生自驱弹跳,脱附率高,露滴数量密度、覆盖率和平均直径均能保持在恒定范围,显示出优异的抗结露特性.     

超疏水表面的制备方法

超疏水表面材料具有防水、防污、可减少流体的粘滞等优良特性,是目前功能材料研究的热点之一.其中超疏水表面的制备方法是研究的关键点.介绍和评述超疏水表面的制备方法,对该领域的发展方向进行了展望.     

化学/电化学腐蚀法快速制备超疏水金属铝

提出一种金属铝超疏水表面的快速制作方法. 先以化学腐蚀在铝表面形成微米级粗糙结构, 再通过电化学腐蚀构筑纳米结构, 在20 min内完成了超疏水表面所需粗糙结构的制备. 这种化学腐蚀/电化学腐蚀两步法比单独化学或电化学腐蚀方法在时间上缩短了1~2个数量级, 且不受铝材晶形限制, 同时电化学腐蚀所用电流密度也降低了1个数量级, 降低了对电源设备的要求, 可望大规模应用于工业生产和其它金属的超疏水表面制备.     

肼在金属表面上分解机理的理论研究

键指数归一-二次指数势(Unity Bond Index-Quadratic Exponential Potential, UBI-QEP)法被用于研究肼在Fe, Ru, Pt和Cu表面上的分解机理. 研究结果表明, 肼在金属上优先发生N—N键断裂, 金属活性顺序是Ru~Fe>Pt>Cu, 但不同金属上呈现出不同的产物选择性. 在Fe, Ru上产物主要为N2和H2, 其通过N2Hx物种形成的可能性较低, 金属活性顺序为Ru>Fe; 而在Cu, Pt上最终产物为NH3, N2和H2, 其中H2和N2的形成可能部分源于中间体物种N2H的转化, 金属的活性顺序为Pt>Cu.     

Theoretical Description of Water from Single-Molecule to Condensed Phase: Recent Progress on Potential Energy Surfaces and Molecular Dynamics

In this work, we review recent progress on the view of potential energy surfaces and molecular dynamics study of water and its related reactions in the last decade or so. Some important gas-phase reactions of water with radicals, chemisorbed dissociative dynamics of water on solid surfaces, and statistical mechanics and vibrational spectrum simulations of water from clusters to the condensed phase have been introduced. The recently developed machine learning techniques, such as the neural networks in a combination of permutational invariant polynomials or fundamental invariants, the atomic neural networks framework, the gaussian approximation potentials with the smooth overlap of atomic position kernel, as well as the many-body expansion framework for the construction of highly accurate potential energy surfaces, have also been discussed. Finally, some suggestions have been provided for further improvement of the potential energy surfaces and dynamics methods of water-related systems.     

非均相芬顿体系协同去除复合双污染物:化学转化,pH影响和机理分析

系统研究了ZVI(零价铁粉)-Fenton体系协同去除铜离子和亚甲基蓝(MB)污染物过程中, ZVI微表面发生的化学转化以及目标污染物降解机理. 分别利用扫描电子显微镜(SEM), X射线能谱(EDS), X射线衍射(XRD), X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等技术, 对比分析了反应前后以及不同体系之间ZVI表面结构, Fe和Cu化学转移的变化. 结果表明, 在ZVI/H₂O₂体系中反应后ZVI表面腐蚀产物较多, 主要为Fe₃O₄和Fe₂O₃. 在ZVI/H₂O₂-Cu体系中, 虽ZVI腐蚀作用更加剧烈, 但ZVI表面残留的腐蚀产物较少, 且腐蚀产物中Fe₃O₄含量的占比增加. Cu ²⁺主要还原产物为Cu ⁰, 同时还伴随着CuO的生成. pH影响实验表明, ZVI/H₂O₂-Cu体系不仅强化了MB的降解, 有效地去除了总溶解铜离子(TCu), 同时还扩大ZVI-Fenton体系的有效pH范围(pH=2.5~5.5). 叔丁醇捕获自由基实验表明, 羟基自由基是氧化降解MB的主要活性物质. 最后针对ZVI-Fenton体系协同去除复合双目标污染物的机理进行研究分析.     

光驱动多孔无定形TiO2的形成机制与光催化性能的研究

以钛酸正丁醇和乙二醇为原料,采用溶剂热法合成了钛乙二醇盐(TG)前躯体,在高压汞灯照射下制备出无定形TiO2。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、表面光电压谱(SPS)、N2吸附-脱附对所得材料进行了结构和性能的表征。借助X射线吸收精细结构(XAFS)对无定形TiO2的形成机制进行了分析,并通过硝基苯的还原反应考察了材料的光催化性能。结果表明:在紫外光驱动无定形TiO2的形成过程中,中心元素Ti4+的配位环境发生变化,由八面体结构转变为四面体结构;由于特殊的孔道结构使得多孔无定形TiO2显示出较好的光催化活性。