蘭州化物所固-液摩擦起電機制研究獲系列進展

時間：2023-07-21

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、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，但其內(nèi)在工作機制及其應用仍是亟需探究的關(guān)鍵難題。

中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室王道愛研究員團隊近年來在固-液界面摩擦起電機理、調(diào)控策略及其應用等方面進行了系統(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，該團隊通過系統(tǒng)研究，揭示了水-固、油-固界面摩擦起電的影響因素及機理，發(fā)展了基于結(jié)構(gòu)與組分設(shè)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(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)進行原位實時監(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)變行為的機制，該研究可應用于量化潤濕動力學狀態(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)計了一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可發(fā)出報警信號，以避免火災或爆炸，為石油工業(yè)的防靜電設(shè)計提供了理論指導。相關(guān)成果發(fā)表在Nano Energy（2022，104, 107930）上。

基于摩擦起電效應和放電效應，研究人員設(shè)計了一種類文丘里管的流體通路結(jié)構(gòu)，對高速運動氣液兩相流的摩擦起電行為進行研究。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)移機理，研究結(jié)果對認識多相流與固體界面之間的摩擦起電行為及其應用提供了理論和實驗參考。另外，研究人員通過弧度設(shè)計進一步調(diào)控了界面的水滴鋪展面積和滑移速度，進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，該研究團隊系統(tǒng)總結(jié)了固-液界面摩擦起電的機理、策略及其應用（圖3），探討了影響界面電荷產(chǎn)生與應用的關(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識固-液界面的電荷轉(zhuǎn)移機理，調(diào)控策略及其應用提供了重要參考，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基金、中國科學院先導B培育和甘肅省重大專項等項目的支持。

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