超亲水超疏油网膜材料的研究进展

基于超亲水超疏油理论的膜材料具有低能耗、高效率、寿命长等优点,在油水分离领域具有巨大的应用前景。本文介绍了超亲水超疏油膜材料的分类及其制备思路,包括有机和无机膜材料;综述了超亲水及水下超疏油材料、刺激响应型超亲水超疏油膜材料的制备与性能研究进展;最后总结了目前超亲水超疏油膜材料存在的不足,并对未来发展方向进行了展望,应深入探究超亲水超疏油理论,同时考察膜材料结构与性能之间的影响关系。     

超亲水表面制备方法及其应用

特殊浸润性表面由于其独特的浸润行为在液体输送、涂料、防水、建筑和医用材料等领域都有着重要的应用。作为一种典型的特殊浸润性表面,超亲水表面（与水的接触角接近于0°）具有防雾和自清洁的功能,在工业生产和实际生活中具有广泛的应用。本文总结了近年来超亲水表面的制备方法以及与超亲水性密切相关的其他特殊浸润性表面的研究进展,包括超...     

超亲水超疏油油水分离膜的制备及其性能

超亲水-超疏油油水分离膜是一种过水隔油的特殊分离膜,在处理海洋溢油污染、环境含油废水时具有保持分离膜不被油污染的优势,有十分重要的实际意义。为了掌握近年来超亲水超疏油分离膜的发展动态,本文首先以液体静压力与毛细作用力为基础阐述亲水疏油膜的油水分离机理;然后分类概括超亲水-超疏油金属基底网膜、刺激响应油水分离膜、无基底聚合物膜材料的制备及各项性能的研究新进展;最后总结目前在该领域仍存在的问题并进行展望。     

超亲水疏油材料的制备及其油水分离性能

含油污水的随意排放对海洋、沿海周边环境以及人类健康造成了严重的影响。传统的油水分离方法易造成环境二次污染,同时也是对有限资源的一种损耗。因此,如何高效环保地解决含油污水问题具有重要意义。物理过滤/吸附法被认为是一种高效环保的分离方法,基于仿生学原理,许多可用于物理选择性分离的超亲油疏水和超亲水疏油材料被制备出来。超亲油疏水材料易被油污染,重复利用率低;相比之下,超亲水疏油材料具有自清洁性且重复利用率高,在油水分离方面具有广阔的应用前景。根据基底材料的选择不同,本文综述了金属基以及高分子基超亲水疏油材料的研究现状,总结了其优缺点,并对今后超亲水疏油材料的研究方向和重点进行了展望。     

溶液浸泡结合表面涂层制备超疏水-超疏油表面

超疏水-超疏油材料在防污、防水、防油等领域有广泛的应用前景而引起人们极度关注。 本文用全氟辛酸溶液浸泡锌粉制得超疏水-超疏油锌粉,用聚乙烯醇胶将超疏水-超疏油锌粉粘合、固定到玻璃、木头、塑料、不锈钢、纸片、石头表面后可制得超疏水-超疏油表面,水滴、油滴在其表面的接触角均超过150°。 锌粉与全氟辛酸反应后生成Zn[CF₃(CF₂)₆COO]₂,氟代长链烷基的低表面能化学组成与微纳米粗糙结构的协调作用使其表现出超疏水、超疏油性能。 相关研究有望为超双疏材料的设计、制备及其在自清洁、防水防油及抗污等领域的应用提供借鉴。     

超浸润油水分离材料的研究进展

海洋石油泄露和工业废水违规排放造成了严重的环境和生态污染。近年来,受荷叶、水黾、鲨鱼等动植物组织结构的启发,超浸润材料的设计与开发成为当前研究的热点之一,在油水分离领域展现出十分重要的实际应用价值。本文首先介绍了表面浸润性的基本理论,然后综述了近年来包括超疏水型、超亲水型、Janus型以及功能型超浸润油水分离材料的研究进展,最后总结了目前该领域存在的一些问题,并指出利用简单环保的方法开发出低成本、耐久性和高效分离能力的超浸润油水分离材料将会是该领域的主要发展方向。     

低表面能化合物在超浸润材料中的应用

近年来,由于超浸润材料在自清洁、微流体传输和生物相容性等方面的潜在应用,具有极端润湿性的超浸润材料成为了材料领域的一个研究热点。研究表明,除材料表面微纳米结构的构筑外,材料表面能的控制也是制备超浸润材料的另一关键因素。随着对超浸润材料润湿性机理研究的深入,许多不同结构不同类型的低表面能化合物也越来越多地被应用于超浸润材料的制备中。本文从分子结构、化合物类型等角度出发,综述了超浸润材料制备中所大量应用的低表面能化合物,并归纳了pH值、温度、浓度及溶剂等因素对材料低表面能化的影响,总结了低表面能化合物在提高机械强度、制备润湿性转换材料和不同浸润性修饰中的选择和应用情况,最后提出了低表面能化合物应用的一些不足之处并对其发展方向进行了展望。     

从自然到仿生到实际应用的超亲水表面

极端润湿表面一直是表面工程领域的重要研究主题。由于与水具有强烈的吸引力,超亲水表面具有自清洁、防雾等特点,在很多领域都表现出很强的应用潜力。与超疏水表面相比,超亲水表面的研究相对较少,在学术和应用上还存在一些问题。本文介绍了关于超亲水定义的学术争论,分析了超亲水现象的机理,还介绍了超亲水表面的制备方法和实际应用,并指出了超亲水表面存在的问题和研究新动向。本文为超亲水表面的研究提供了一个较为全面/系统的综述。     

仿生水下超疏油表面

水下超疏油表面是指在油/水/固三相体系中,对油的接触角大于150°的固体表面.从鱼体表面和荷叶下表面2种具有水下超疏油性质的生物体系出发,讨论了影响水下超疏油性质的因素,并据此提出了仿生水下超疏油表面的设计方法.通过介绍目前典型的人造水下超疏油表面的制备手段和研究进展,概括了水下超疏油体系的发展现状.对浸润性和黏附性响应性可控的智能水下超疏油体系以及水下超疏油体系在液滴操控、抗生物黏附和油水分离等领域的应用进行了简要介绍.最后对仿生水下超疏油体系目前研究存在的问题及挑战进行了总结,在此基础上展望了该领域未来的发展方向.     

多功能超润湿材料的设计制备与应用

仿生超润湿材料是指类似自然界中生命体具有的特殊浸润界面性质的一类材料。近20年来,研究人员通过模仿自然,揭示了一系列超润湿界面材料的构建机理,设计制备了多种仿生超润湿材料,并将这些具有特殊表面浸润性能的材料拓展应用到了国防、军工、航空航天、建筑、农业、医疗、海洋防污等众多领域。本文首先介绍表面润湿现象的基础理论,接着从仿生的角度出发,介绍了以仿荷叶、鱼鳞、沙漠甲虫、猪笼草为代表的几种拥有不同表面浸润性能的材料,并总结了这几种材料的仿生设计原理、结构与性能的关系以及所面临的问题。综述了近年来仿生超润湿材料在防污抗菌、防雾防霜防覆冰、油水分离等方面的应用进展,最后展望了仿生超润湿材料的发展方向。     

水下超疏油仿生特殊粘附界面材料的研究进展

水下超疏油表面由于在防污材料、微流控技术、生物粘附等方面具有广泛的应用前景,已经引起人们的普遍关注。本文简单介绍了浸润性在液相体系的相关概念及基础理论,综述了自然界中的水下超疏油低粘附生物体典型实例以及水下超疏油仿生特殊粘附界面材料的仿生制备和智能调控,并对水下超疏油仿生界面材料的发展进行了展望。     

具有水下超疏油性能的MXene高效油水分离膜

基于二维材料MXene(Ti₃C₂T_x)的化学组成和纳米片状结构, 在不锈钢网上制备了具有MXene微纳结构表面的新型亲水和水下超疏油分离膜. 对于不同类型的油-水混合物, 该膜材料可实现重力驱动的高效油水分离, 收集的水中残油量小于4 mg/L, 具有高分离效率(>99.99%), 水通量高达57.52 L·m^-2·s^-1. 此外, 经高温处理和多种有机溶剂浸泡后MXene膜仍具有高效的油水分离性能, 并表现出优异的稳定性和循环性.     

电化学合成纳米材料和小分子材料在电解制氢领域的应用

氢气是一种清洁、高效、可再生的新型能源,并且是未来碳中和能源供应中最具潜力的化石燃料替代品。因此,可持续氢能源制造具有极大的吸引力与迫切的需求,尤其是通过清洁、环保、零排放的电解水方法。然而,目前的电解水反应受到其缓慢的动力学以及低成本/能源效率的制约。在这些方面,电化学合成通过制造先进的电催化剂和提供更高效/增值的共电解替代品,为提高水电解的效率和效益提供了广阔的前景。它是一种环保、简单的通过电解或其他电化学操作,对从分子到纳米尺度的材料进行制造的方法。本文首先介绍了电化学合成的基本概念、设计方法以及常用方法。然后,总结了电化学合成技术在电解水领域的应用及进展。我们专注于电化学合成的纳米结构电催化剂以实现更高效的电解水制氢,以及小分子的电化学氧化以取代电解水制氢中的析氧共反应,实现更高效、 增值的共电解制氢。我们系统地讨论了电化学合成条件与产物的关系,以启发未来的探索。最后,本文讨论了电化学合成在先进电解水以及其他能量转换和储存应用方面的挑战和前景。     

仿生超疏油材料在苛刻工况条件下的应用

超双疏兼备超疏水和超疏油两种极端不润湿现象,其中超疏油的实现难度更大,应用前景广阔。为了获得超疏油材料,通常采用仿生思路,在材料表面构建粗糙结构和以含氟低表面能物质修饰表面。表面粗糙结构在机械力学作用下易遭到破坏,例如摩擦和冲击。低表面能物质修饰层在光照条件下易分解,而诸多的太阳能装置如太阳能电池板,必须在室外工作。耐紫外的超疏油性可以帮助这些设施实现高效工作并延长使用期限,节约资源。更进一步,科研人员研究了超疏油材料在各种苛刻条件下的可靠性。本文应用新进展聚焦在超疏油材料在紫外线照射下的可靠性或可逆响应性;超疏油材料经过撞击之后的油滴接触角变化;在高温条件下超疏油材料的极端润湿性能保持能力;在冲击条件下的稳定性,甚至包括了多种复合苛刻条件下的超疏油材料的耐受性。由于大多的工业环境无法避开摩擦和腐蚀,因此本文着重从超疏油材料的耐摩擦性和抗腐蚀性两个方面讨论了其研究现状,同时也讨论了超疏油在其他工程应用方面的可靠性。最后,总结了各实验方案的优缺点、实验与工业化过程中存在的问题、有望突破的方向,以及作者对于在苛刻工况条件下提升超疏油材料可靠性的观点。     

不同浸润性多孔电极表面的气泡行为

采用氢气模板法制备了具有多孔结构的电极; 通过改变电镀电流密度和电镀时间实现了电极表面多孔结构孔径和分布的控制; 通过改变表面化学组成有效调控了电极表面的浸润性质. 比较了具有不同微观结构和表面化学组成的电极在给定条件下电解水过程中气泡的产生及行为机制. 实验结果表明: 相对于亲水的多孔电极, 疏水的多孔电极表面能够黏附气泡, 更易倾向于形成稳定的气膜; 多孔结构对于亲水电极表面气泡行为的影响比对疏水电极表面气泡行为的影响更为显著; 与没有多孔结构的亲水电极相比, 具有多孔结构的亲水电极表面产生的气泡数量多, 速率快; 与较小孔径的多孔亲水电极相比, 较大孔径的多孔亲水电极表面产生气泡速率快且黏附气泡数量少. 该研究结果为微气泡减阻电极的设计提供了理论依据.     

仿生超浸润界面传感技术在生物分析中的应用

仿生超浸润界面材料是构建高灵敏度、高特异性生物传感器的一类新兴材料,广泛适用于环境监测、生物医药、食品分析等领域。本文介绍了4种典型的超浸润界面,包括超疏水界面、超亲水界面、超润滑界面以及图案化浸润性界面,总结了界面浸润性调控在电化学、荧光、可视化、表面增强拉曼和可穿戴检测器件等技术中的研究和最新进展,阐述了传感器构建机理和检测机制。最后,对仿生超浸润界面传感技术在生命分析应用中存在的问题和现存的挑战进行了总结和讨论。     

高性能电解水电极催化材料的设计及产品工程

随着市场竞争的加剧,以产品需求为导向精确定制符合需求的化学品成为化学工程研究发展的探索新方向。电解水制氢是生产高纯氢气并转换储存大规模可再生能源的一种有效方法。为实现高效的电-氢气转换效率,高性能的电解水析氢析氧电极是必不可少的。电解水电极材料具有复杂的化学组成及多层次的结构,其中电极表面催化材料的物理化学性质和形貌结构是决定电解水性能的最主要因素。本文结合本课题组在电解水催化方面的研究工作,综述了近几年国内外电解水电极催化材料的最新研究进展,阐述了电解水电极催化材料以反应机理为导向的催化剂设计理论、以产品性能为导向的催化剂设计方法学（包括纳米结构构筑、晶面调控、载体复合、晶相调节、杂原子掺杂、合金化和聚合物表面修饰）及应用,针对化学产品工程的发展与需要,介绍了电解水电极催化材料跨越分子尺度、微纳结构及合成应用的产品设计和产品工程研究的关键科学问题和发展方向。     

单宁酸/两性离子改性油-水分离膜的制备及性能

以不锈钢网为基材, 利用单宁酸对不锈钢网进行表面预处理并功能化接枝两性离子基团, 制备了新型亲水和水下超疏油的单宁酸/两性离子改性油-水分离膜(TA-ZW-SSM). 利用X射线光电子能谱仪(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)及接触角测量仪等表征了其化学结构、 形态和润湿性. 研究结果表明, 两性离子基团通过化学键接枝在单宁酸预处理的不锈钢网表面. 油-水分离实验结果表明, 对于不同类型的油-水混合物, 本文制备的超亲水和水下超疏油特性的TA-ZW-SSM可实现重力驱动的高效油-水分离, 并具有较好的化学稳定性及再循环性.     

CaCO_3颗粒模板法制备聚合物超亲水/超疏水表面

以碳酸钙(CaCO3)颗粒层为模板,运用简单的热压和酸蚀刻相结合的方法制备聚合物超亲水/超疏水表面.首先在玻璃基底上均匀铺撒一层CaCO3颗粒,以此作为模板,通过热压线性低密度聚乙烯(LLDPE)使CaCO3颗粒均匀镶嵌在聚合物表面,获得了超亲水性质;进一步经酸蚀得到了具有微米和亚微米多孔结构的表面,其水滴静态接触角(WCA)可达(152.7±0.8)°,滚动角小于3°,具备超疏水性质.表面浸润性能和耐水压冲击性能研究表明该超疏水表面具有良好的稳定性和持久性.用同样工艺微模塑/酸蚀刻其它疏水性聚合物,得到类似结果.     

类荷叶结构聚全氟乙丙烯的超疏水性

以聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制的荷叶表面微结构为阴模模板,将聚全氟乙丙烯（FEP）粉体置于该阴模模板上,在约0.3 N/cm2的压力,280 ℃和-0.1 Mpa真空度的条件下热压成型,成功制备了具有类荷叶结构的FEP表面。扫描电镜观察结果表明, FEP表面与荷叶表面微结构具有很大的相似性,该表面具有良好的超疏水性,与水的接触角达到168°,滚动角小于3°,而且具有良好的疏酸、疏碱、疏盐溶液性能和稳定性,即使在溶液中长期浸泡而失活后,经piranha洗液处理约10 min,其表面超疏水、疏酸、疏碱性能也可迅速恢复。PDMS的热重分析结果表明,PDMS阴模在热压条件下失重极小,可重复使用。因此,将FEP的耐酸、耐碱、耐腐蚀和低表面能的特性与荷叶表面的特殊结构有机结合,在制备抗粘附、自清洁容器等方面具有广泛的应用前景。