近日，武汉纺织大学Bin Shang和陕西师范大学Ziwei Deng等人7月30日在ACS Langmuir上发表了一篇题为“One-Step Preparation of Hydrophobic Surfaces Containing Hydrophilic Groups for Efficient Water Harvesting”的文章。他们提出了一种简单的策略来构建含有适量亲水基团的疏水表面，以帮助实现特殊的液滴成核和去除。与受沙漠甲虫启发的天然集水材料不同，这些表面利用有限的亲水位点来凝结雾气，形成的微小液滴的传输依赖于疏水基材。所提出的疏水织物的总表面积含有亲水基团，使得捕雾面积增加。该特性经过优化以提高液滴成核密度，并且表面仍然具有出色的“拒液性”，从而使样品表面的最大吸水效率达到3.145 g·cm^-2·h^-1，远高于大多数报道的集水材料。由于其高效率和可扩展性，如此构建的含有亲水基团的疏水表面的策略具有很大的实用价值。

背景介绍

随着人口增长和环境污染加剧，淡水资源短缺问题逐渐显现，特别是有人居住的沙漠和干旱地区（如非洲、亚洲和拉丁美洲的农村地区）。大约有10亿居民的生活用水无法得到保障。为了获取足够的淡水以减轻水危机对人类活动的影响，从露水、雾风或空气中的水分中收集水引起了人们的极大关注。

超疏水表面，基于分层粗糙形态和疏水表面化学，可有效排斥水滴，有利于水滴在表面的移动。然而，与亲水表面相比，超疏水表面上的成核屏障通常更高，不利于液滴的形成，这严重阻碍了整体雾凝结速率。作为加速雾化的替代策略水冷凝过程中，已经开发出新型（超）亲水/（超）疏水可湿性图案表面，在这些混合表面中，通常认为亲水域有利于雾捕获，而超疏水背景适合从表面清除水滴。最近，一些研究人员提出了平衡雾捕获和液滴去除性能的新解决方案。例如，有人报道了一种亲水性定向光滑粗糙表面，由纳米纹理定向微槽组成。通过结合亲水性表面官能团和光滑界面的特性，获得的表面能够快速成核和去除水滴。还有人报道了通过溶剂交换和喷涂构建了一个基于纤维素的超疏水表面，该表面包含许多烯烃端基。随后，各种硫醇化合物被用来进一步装饰表面，赋予表面亲水基团，实现高效的雾化和液滴去除。根据这些研究，构建含有亲水基团的防水表面被认为是改善雾化成核和液滴去湿性能的有前途的策略。但是这些制备策略仍存在一些问题，如制备过程繁琐、集水稳定性差、难以大规模生产等都是需要解决的潜在挑战。作者提出了一种简单且便于放大生产的浸涂方法来制造含有亲水基团的疏水表面。由于亲水基团对雾的亲和力和长链疏水链段赋予的拒液性，以及容易调节的表面润湿性，所获得的表面具有优异的液滴成核和去除能力，从而得到了很大的改善集雾效率。

图文解析

Fig. 1 (a) 功能性织物表面的制备方案；(b) 功能性织物表面化学结构示意图。

图1(a)说明了功能性织物表面的制备造过程。首先将一定量的H₂N−PDMS−NH₂、TEOS 和 TGOS 加入 25 mL 圆底烧瓶中，并在室温下磁力搅拌 24 小时。然后，将一块聚酯织物（2.8 cm × 2 cm）浸入上述溶液中 10 分钟。随后，去除织物表面的多余液体并转移到含有2  mL盐酸的干燥器中9小时。之后，将织物在60 °C的烘箱中干燥12小时以获得功能性聚酯织物。根据用于制备不同功能织物表面的配方，相应的织物分别命名为织物-0、织物-1、织物-2和织物-3，其中织物-0代表原织物。图1(b)展示了该特性的表面形成的原理，氨基丙基封端的长链聚硅氧烷链段被灵活地引入到改性织物表面。成功的接枝归因于胺和环氧基之间的高效反应以及乙氧基在挥发的HCl蒸汽存在下的水解和缩合。在此过程中，TEOS和TGOS可以共水解以增强表面涂层的强度，而一些游离的 PDMS链段形成类似于聚合物刷的结构。

Fig. 2 (a)(e) 织物-0的表面SEM图；(b)(f) 织物-1的表面SEM图；(c)(g) 织物-2的表面SEM图；(d)(h) 织物-3的表面SEM图；(i) 织物-2的元素分布图。

将改性织物的表面形态与原始织物的表面形态进行比较，可以清楚地发现所有改性织物的针织结构都没有受到明显的破坏（图2a-d）。但是由于形成致密且均匀的涂层，最初彼此分离的纤维变得略微粘稠（图2e-h）。为进一步证明此织物-2作为例子进行表面元素分析。如图2(i)所示，不属于原始织物的新元素N和Si出现在改性纤维表面，这些元素分布均匀，证实改性成功。

Fig. 3 (a) 织物的傅里叶红外结果图；(b) 织物的XPS结果图。

图3(a)展示了改性和未改性织物表面的FTIR光谱。Si-C(1261 cm^-1) 和Si-O(791 cm^-1) 的峰出现在改性织物中，证明了TEOS和TGOS的有效共水解，属于TGOS的环氧基团在910 cm^-1处的典型FTIR特征峰从改性织物中消失，伴随着-NH（661 cm^-1）和-NH2（706 cm^-1）的新峰，表明胺和环氧基之间的反应发生。更重要的是，游离胺基团的存在强烈表明改性织物中的聚硅氧烷基链段仍处于高度流动的状态，这可以赋予改性表面优异的拒液性。图3(b)展示了织物的XPS测试结果，XPS测试是为了进一步观察改性织物中聚硅氧烷链段的含量，探究其对表面润湿性起着至关重要的作用。O和Si的占比的上升趋势表明TEOS的浓度从织物-1到织物-3依次上升。相反，N从0.80逐渐下降到0.69，最后下降到 0.44，这表明织物-1表面聚硅氧烷链段的含量最高，其次是织物-2，而少量的长链聚硅氧烷链段被赋予到织物-3表面。

Fig. 4 (a) 织物的水接触角照片；(b) 织物上10 μL水的的滑动角；(c) 织物上20 μL水的的滑动角；(d) 织物上30 μL水的的滑动角。

图4(a)说明了使用静态接触角和动态滑动角制备的织物及其前体对水的表面润湿性。表面改性后，织物-1、织物-2和织物-3的水接触角分别为120.5±3.6°、141.4±2.3°和148.2±2.4°，远高于原始织物（织物-0的水接触角为∼ 0°），表明改性对提高表面疏水性有积极影响。但在这些改性织物中，织物-1 的聚硅氧烷链段含量最高，疏水性最弱。当水滴落到 织物-1 上时，它固定在初始位置，在旋转过程中没有任何移动。这主要归因于水分子与亲水性胺基之间的强相互作用，导致织物-1的去湿性能较差（图4b-d）。相反，随着织物表面氨基丙基封端聚硅氧烷链段的含量减少，长链聚硅氧烷的疏水作用逐渐占主导地位，水滴很容易从改性表面滑落。随着TEOS含量的进一步增加，链段密度过低，织物表面疏水性变弱。

Fig.5 (a) 集水装置的示意图；(b) 集水速率；(c) 有水被收集的开始时间；(d) 织物-2的集水循环稳定性。

为了探索织物样品的集水性能，我们构建了一个自制的集雾系统，如图5(a)所示。使用商用加湿器产生模拟雾流，并将样品垂直放置。集水1小时后，原始的织物-0显示最低的集水效率为1.309 g·cm⁻²· h⁻¹，如图5(b)。较差的集水性能可归因于其固有的亲水性和吸水性。织物-0上的冷凝水在滴落之前容易弄湿并浸透表面，因此直到第一滴滴落所需的时间最长如图5(c)，并且其第一滴水的重量最大如图5(d)。相比之下，这些改性织物上的冷凝水可以更快地滑动，并且由于疏水性的提高，测得的集水效率远高于原始织物。然而，疏水表面并不总是意味着高的水收集效率。织物-2表面含有适量的亲水氨基，最大集水效率为3.145 g·cm^-2·h^-1，比织物-3高11.45%，比织物-1高52.4%，并且在集水性能方面优于大多数其他报道的材料。因此，疏水表面结合适度的亲水基团，也可以显着提高集水性能。此外，制备的织物的集水率相对稳定，在多次测量后没有明显下降如图5(e)。

Fig. 6 用三维显微镜拍摄的在室温下水采集图像：(a) 织物-1；(b) 织物-2；(c) 织物-3。

在图6中，我们通过3D显微镜进一步研究了亲水基团对液滴成核和生长的影响。与织物-2和织物-3相比，薄雾在织物-1上具有更高的冷凝密度。这表明含有更多亲水基团的疏水表面表明雾凝结率更高。然而，雾和亲水基团之间的强水粘附特性确实阻碍了液滴的生长过程，在相同的冷凝时间后，导致织物-1上的液滴尺寸比织物-2和织物-3小得多。随着织物表面亲水基团的含量减少，极易形成微小的露珠，进一步结合成较大的水滴。然而，在这些过程之前，这些表面无法从潮湿的大气中快速捕获水分。

Fig. 7 液滴成核与滚动的示意图：(a) 织物-1；(b) 织物-2；(c) 织物-3。

为了说明表面亲水基团和疏水特征对织物集水效率的复杂关系，图7中展示了获得的功能织物表面上的液滴成核和去除示意图。对于织物-1，引入的氨基丙基封端的聚硅氧烷链段是最高的，这意味着表面有大量的亲水基团。一般来说，这种表面有利于捕捉潮湿空气中的雾气，并表现出较高的雾气凝结率。但冷凝水通常处于典型的温泽尔状态，因此会牢固地粘附在表面上而不会滚动，从而导致收水率低。对于织物-3，它代表表面带有少量亲水基团的疏水材料。虽然表面很容易让微小的露水结合成相对较大的液滴，然后离开表面，但缺乏足够的亲水性位点与雾气结合阻碍了雾气的供应。通过调节TEOS、H₂N-PDMS-NH₂和TGOS的摩尔比，可以控制织物-2中亲水基团和疏水长链段的含量。它有望加速织物表面的水成核，同时减少去除效率的损失，从而最大限度地提高材料的集水效率。

总结展望

作者展示了一种新的一步策略，通过在目标中引入氨基丙基封端的长链聚硅氧烷链段来制造含有中等亲水基团的疏水表面。通过调节织物表面亲水基团和疏水长链结构的含量，加速织物表面的水成核，同时对去除效率的影响较小。改进后的最大集水效率可达3.145 g·cm^-2·h^-1，比原始织物高140.25%。该研究为高效集水材料的制备提供了一种独特的方法，其操作简便性使其具有巨大的规模化生产潜力。

原文

One-Step Preparation of Hydrophobic Surfaces Containing Hydrophilic Groups for Efficient Water Harvesting. Pei Lyu, Xiangyi Zhang, Xin Jiang, Bin Shang, Xin Liu, and Ziwei Deng, Langmuir, 2021, 37, 9630−9636.

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c01756