摘要
随着世界经济的快速发展和人类人口的持续增长，能源需求日益突出，工业发展对环境的污染正成为一个严重问题。例如水环境中温室气体的泄露会导致能源浪费和空气污染，如果能对这些气体进行有效地被收集可以在一定程度上缓解这些问题。并可广泛运用于电解水产生的微小气泡收集、可燃气体开采输送、气体催化等领域。 目前科学家们仿生制备了用于气体操控的特殊润湿性功能表面，依据是否有能量输入可分为梯度结构自驱动和外部驱动。虽然具有梯度结构的超亲气表面可以实现水下气泡的快速运输，但是其内部超亲气膜在水下受到水压、水下污染物和水流冲击等影响会导致运输性能下降。气体运输的耐久性和可重复性是其一直面临的问题。为了克服上述问题，受猪笼草启发的超滑表面（SLIPS）被制备了出来。通过将低表面能的润滑油注入粗糙度的微结构表面内部，最终在表面上形成连续均匀的油膜，其低的摩擦阻力和高的气泡吸附力是有利于气泡稳定操控的。与仙人掌刺的梯度结构相结合，无需外部能量就能够实现气泡自驱动运输的 SLIPS 被制备了出来。但是目前还存在着基底加工复杂，需要化学改性以及连续运输时气泡易脱落等问题。 针对上述问题，本研究受到仙人掌结构梯度和猪笼草光滑表面的启发，利用飞秒激光微纳精密制造技术一步法制备了具有几何形状梯度超滑表面(GGSS)。实现了无论GGSS朝上还是朝下都可以完成气泡自驱动运输。并探究了气泡大小、GGSS顶角和朝向对运输距离、速度的影响。结果表明：对单个气泡，较小的顶角和较大的气泡体积会导致较长的气泡输送距离；当GGSS朝上放置时，气泡超过60 μL会脱落，然而当GGSS朝下放置时，随着气泡体积增大，气泡会一直沿着结构运输到末端。此外，与具有脆弱空气膜的超亲气基材完全不同，在水环境下由聚四氟乙烯（PTFE）制备得到的 GGSS在气泡输送中表现出显著的稳定性。借助于气泡输送的独特能力，设计了微型的气泡反应和加压电化学制氢装置。验证了 GGSS 在水下连续定向输送和高效收集气泡的可靠性，丰富了气泡自驱动收集模式并提供了新思路和新方法，在小型气体反应器件、水下气体收集等领域具有广阔的应用前景和研究价值。
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