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蘭州化物(wù)所固-液摩擦起電機制研究獲系列進展
時(shí)間(jiān)：2023-07-21

固-液界面的摩擦起電與表界面性質息息相關，在界面雙電層理論、油液摩擦靜電防護、潤滑與潤濕性原位監測、新型能(néng)源收集等研究領域中已成為(wèi)新的熱(rè)點，但(dàn)其內(nèi)在工(gōng)作(zuò)機制及其應用仍是亟需探究的關鍵難題。

中國(guó)科學院蘭州化學物(wù)理研究所固體潤滑國(guó)家重點實驗室王道(dào)愛研究員(yuán)團隊近年(nián)來在固-液界面摩擦起電機理、調控策略及其應用等方面進行(xíng)了(le)系統性的研究。

固-液界面摩擦起電受材料表面成分、結構、潤濕性、液體性質等諸多因素的影響。表面成分的不同影響其摩擦起電得失電子的能(néng)力，表面結構及潤濕性影響其接觸面積及摩擦電荷的雙電層性質，液體的離子濃度、酸堿性影響固體表面對離子的吸附。近期，該團隊通(tōng)過系統研究，揭示了(le)水-固、油-固界面摩擦起電的影響因素及機理，發展了(le)基于結構與組分設計、非對稱離子排布（圖1a）、潤濕性（圖1b、c）等因素的固-液界面電荷調控策略。相關成果發表在Small（2023, 2301568）和(hé)Nano Energy（2022，104, 107930）上(shàng)。

為(wèi)了(le)對界面摩擦及潤濕狀态進行(xíng)原位實時(shí)監測，研究人(rén)員(yuán)在兩親性聚合物(wù)表面分别制備了(le)不同結構梯度的微(wēi)米、納米以及微(wēi)納米複合結構來調控界面潤濕性，系統研究了(le)摩擦起電行(xíng)為(wèi)和(hé)潤濕動力學的關系，揭示了(le)表面微(wēi)觀結構調控潤濕轉變行(xíng)為(wèi)的機制，該研究可(kě)應用于量化潤濕動力學狀态的變化（圖2）。相關成果發表在Advanced Science(2022, 9, e2200822)上(shàng)。此外(wài)，基于固-油界面的摩擦起電性質，研究人(rén)員(yuán)設計了(le)一(yī)種新型無線預警靜電傳感器，當油中的電荷達到預定臨界值時(shí)可(kě)發出報警信号，以避免火(huǒ)災或爆炸，為(wèi)石油工(gōng)業的防靜電設計提供了(le)理論指導。相關成果發表在Nano Energy（2022，104, 107930）上(shàng)。

基于摩擦起電效應和(hé)放電效應，研究人(rén)員(yuán)設計了(le)一(yī)種類文丘裏管的流體通(tōng)路結構，對高速運動氣液兩相流的摩擦起電行(xíng)為(wèi)進行(xíng)研究。通(tōng)過結構分析和(hé)理論模拟揭示了(le)摩擦起電和(hé)放電的電荷轉移機理，研究結果對認識多相流與固體界面之間(jiān)的摩擦起電行(xíng)為(wèi)及其應用提供了(le)理論和(hé)實驗參考。另外(wài)，研究人(rén)員(yuán)通(tōng)過弧度設計進一(yī)步調控了(le)界面的水滴鋪展面積和(hé)滑移速度，進一(yī)步提高了(le)界面摩擦起電的效率，為(wèi)界面起電調控及其能(néng)量收集利用提供了(le)新思路。相關成果發表在Science Advances（2022, 8, eadd0464）、Nano Energy （2022, 102，107694)上(shàng)。

基于上(shàng)述研究，該研究團隊系統總結了(le)固-液界面摩擦起電的機理、策略及其應用（圖3），探讨了(le)影響界面電荷産生與應用的關鍵因素，展望了(le)其研究前景和(hé)面臨的瓶頸問(wèn)題，該研究對全面深入認識固-液界面的電荷轉移機理，調控策略及其應用提供了(le)重要(yào)參考，相關成果近期發表在Advanced Functional Materials（2023, 33，2300764）上(shàng)。

上(shàng)述工(gōng)作(zuò)得到了(le)國(guó)家自(zì)然科學基金(jīn)、中國(guó)科學院先導B培育和(hé)甘肅省重大專項等項目的支持。