兰州化物所固-液摩擦起电机制研究获系列进展

时间：2023-07-21

固-液界面的摩擦起电与表界面性质息息相关，在界面双电层理论、油液摩擦静电防护、润滑与润湿性原位监测、新型能源收集等研究领域中已成为新的热点，但其内在工作机制及其应用仍是亟需探究的关键难题。

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室王道爱研究员团队近年来在固-液界面摩擦起电机理、调控策略及其应用等方面进行了系统性的研究。

固-液界面摩擦起电受材料表面成分、结构、润湿性、液体性质等诸多因素的影响。表面成分的不同影响其摩擦起电得失电子的能力，表面结构及润湿性影响其接触面积及摩擦电荷的双电层性质，液体的离子浓度、酸碱性影响固体表面对离子的吸附。近期，该团队通过系统研究，揭示了水-固、油-固界面摩擦起电的影响因素及机理，发展了基于结构与组分设计、非对称离子排布（图1a）、润湿性（图1b、c）等因素的固-液界面电荷调控策略。相关成果发表在Small（2023, 2301568）和Nano Energy（2022，104, 107930）上。

为了对界面摩擦及润湿状态进行原位实时监测，研究人员在两亲性聚合物表面分别制备了不同结构梯度的微米、纳米以及微纳米复合结构来调控界面润湿性，系统研究了摩擦起电行为和润湿动力学的关系，揭示了表面微观结构调控润湿转变行为的机制，该研究可应用于量化润湿动力学状态的变化（图2）。相关成果发表在Advanced Science(2022, 9, e2200822)上。此外，基于固-油界面的摩擦起电性质，研究人员设计了一种新型无线预警静电传感器，当油中的电荷达到预定临界值时可发出报警信号，以避免火灾或爆炸，为石油工业的防静电设计提供了理论指导。相关成果发表在Nano Energy（2022，104, 107930）上。

基于摩擦起电效应和放电效应，研究人员设计了一种类文丘里管的流体通路结构，对高速运动气液两相流的摩擦起电行为进行研究。通过结构分析和理论模拟揭示了摩擦起电和放电的电荷转移机理，研究结果对认识多相流与固体界面之间的摩擦起电行为及其应用提供了理论和实验参考。另外，研究人员通过弧度设计进一步调控了界面的水滴铺展面积和滑移速度，进一步提高了界面摩擦起电的效率，为界面起电调控及其能量收集利用提供了新思路。相关成果发表在Science Advances（2022, 8, eadd0464）、Nano Energy （2022, 102，107694)上。

基于上述研究，该研究团队系统总结了固-液界面摩擦起电的机理、策略及其应用（图3），探讨了影响界面电荷产生与应用的关键因素，展望了其研究前景和面临的瓶颈问题，该研究对全面深入认识固-液界面的电荷转移机理，调控策略及其应用提供了重要参考，相关成果近期发表在Advanced Functional Materials（2023, 33，2300764）上。

上述工作得到了国家自然科学基金、中国科学院先导B培育和甘肃省重大专项等项目的支持。

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