[发明专利]一种具有单向集雾功能的复合结构膜的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种具有单向集雾功能的复合结构膜的制备方法及其应用，属于化学仿生技术领域。该制备方法首先清洗铜网，配制聚合物溶液和氢氧化钾溶液，然后将聚合物溶液在铜网上进行电纺丝，最后进行电化学氧化，铜网被氧化成氢氧化铜，表面覆盖氢氧化铜纳米针，纳米针穿出聚合物纤维膜之间的孔径。氢氧化铜为亲水性的，聚合物纤维膜为疏水性的。雾气接触到纳米针后传递到亲水侧，或者接触到聚合物纤维膜聚集长大到接触纳米针，再传递到亲水侧，形成水膜。当雾滴碰到水膜，聚合物纤维膜或者纳米针时，雾滴依然从疏水侧传输到亲水侧，大大增加了集水效率。本发明制备方法简单易操作，得到的复合结构膜性质稳定，集水效率高，应用广泛。

技术领域

本发明属于化学仿生技术领域，具体涉及一种具有单向集雾功能的复合结构膜的制备方法及其应用。

背景技术

在过去的几十年里，由于社会和科技生活不断进步，淡水短缺已经成为威胁人类社会的可持续发展的潜在危机。在最近的年度风险报告，世界经济论坛将水危机列为最大的潜在影响的全球风险。世界上三分之二的土地都在缺水，特别是在半干旱和沙漠地区(参考文献1：M.M.Mekonnen,A.Y.Hoekstra,Sci Adv 2016,2.)。同时，在沿海地区的人们也面临淡水资源匮乏的问题，不得不花费大量能源对海水进行淡化。缺乏清洁和安全的饮用水严重危害了人类和其他生物的生存。

雾水，也就是微尺度的水，悬浮在空气中的水滴，半径从1μm到100μm。大气水雾约占全球所有淡水的10％，被认为是一个非常有用和有前途的饮用水资源(参考文献2：H.Kim,S.Yang,S.R.Rao,S.Narayanan,E.A.Kapustin,H.Furukawa,A.S.Umans,O.M.Yaghi,E.N.Wang,Science 2017,356,430.)。如果能使雾气中的水份凝结并收集，可以在很大程度上缓解人们的饮水危机。

对于生存在缺水地区的生物而言，自然界中的生物通过长期的进化，使其能获取空气中的水份。沙漠中存活的仙人掌得益于其表面生长的锥状小刺，在Laplace压差和能量梯度作用下，这些小刺不仅可以收集空气中的水分，并且能够把水分定向运输到小刺根部，最终被仙人掌的表面的绒毛吸收(参考文献3：J.Ju,H.Bai,Y.Zheng,T.Zhao,R.Fang,L.Jiang,Nat Commun 2012,3,1247.)。蛛丝上水滴两侧表面曲率不同，带来水滴两侧的Laplace压差，能量梯度可以驱动其向蛛丝上纺锤节处的水滴移动(参考文献4：Y.Zheng,H.Bai,Z.Huang,X.Tian,F.Q.Nie,Y.Zhao,J.Zhai,L.Jiang,Nature 2010,463,640.)。对于沙漠中甲壳虫，他们的背是交替的疏水性的蜡涂层和亲水性的非蜡质物质构成。亲水区可以用来收集水滴，而疏水区用来运输这些液滴(参考文献5：A.R.Parker,C.R.Lawrence,Nature 2001,414,33.)。这也为仿生制备低能耗，高效率的新型集水材料提供了思路。

近年来，通过利用一系列方法，制备了仿仙人掌锥形刺的一维结构，甲壳虫亲疏相间二维结构，并研究他们的集水效率。即使如此，这些方法操作较为复杂，且集水效率不高。

发明内容

针对现有一维材料以及二维材料集水效率不高，无法满足广大缺水地区对水的需要，制备工艺复杂且成本高等缺陷，本发明提出一种具有单向集雾功能的复合结构膜的制备方法及其应用，可以高效的收集空气中的微小水滴使之成为淡水，并能实现雾滴单向地从疏水一侧运输到亲水一侧。

本发明提供的具有单向集雾功能的复合结构膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：铜网的清洗；

将铜网依次放入乙醇、丙酮以及去离子水中，分别超声清洗30min，去除附着在铜网上的油渍及杂质。

步骤二：配制质量百分比浓度为10-20％的聚合物溶液，以及浓度为1.0-3.0mol/L的氢氧化钾溶液；