南通大学刘慧副教授、福州大学赖跃坤教授 AFM：可控水/光双重响应型中空水凝胶纤维驱动器实现高效脱盐及防盐沉积

2023-06-07 来源：高分子科技

能够感知、适应并与环境刺激相互作用的智能纤维驱动器有着良好的应用前景。然而，传统的纤维制动器在对复杂环境的快速传感和驱动依然存在着困难。此外，太阳能蒸汽冷凝法是一种很有前途的连续海水脱盐技术。然而，随着时间积累，蒸发装置上会形成盐积累，不利于稳定和可持续的水蒸汽产生，并且盐在材料表面的积累会破坏材料的光热转换性能，从而降低蒸发效率。

近期，南通大学刘慧副教授课题组与福州大学赖跃坤教授团队合作，通过同轴湿法纺丝制备了一种中空石墨烯水凝胶纤维，再经过加捻、折叠、卷绕得到一种智能型双螺旋纤维驱动器（RGO@HHF：还原石墨烯中空水凝胶纤维）（图1）。基于中空结构的优异的吸水性能和石墨烯材料的高效的光热转换性能，该驱动器可以在水、光响应下快速实现动态自动伸长/收缩过程（图2），最大驱动收缩率分别达到83%、78%，响应速率分别可达3.8% s^-1_、 3.55% s^-1。基于此，这种动态可逆响应运动使其可实现脱盐工艺以及防盐沉积，纤维驱动器首先吸收海水，在水响应下实现收缩，然后在光照下，海水蒸发，驱动器伸长继续吸收水分，以此实现脱盐循环工艺，在这一往复过程中，纤维驱动器表面积累的盐分会溶解在海水中，解决了盐沉积的问题，为实现可持续海水淡化提供了可靠的应用前景。（图3）

图1：制作工艺示意图: a) 湿纺和b) RGO@HHF的加捻工艺。c) RGO@HHF的变形机理。d)实心和中空纤维吸水时的膨胀行为。e)同手性(Z-Z, S-S扭转)和异手性(Z-S, S-Z扭转) RGO@HHF的响应行为示意图。f) RGO@HHF的海水淡化应用。

图2：a1)双加捻RGO@SHF（实心水凝胶纤维）和RGO@HHF（中空水凝胶纤维）在水刺激下的动态收缩过程。a2)双加捻HHF和RGO@HHF在光刺激下的动态收缩过程。b)同手性和异手性的双加捻RGO@HHF纤维的伸长/收缩驱动示意图。异手性(c)和同手性(d)双加捻纤维驱动器在水和光刺激下的动态收缩和伸长过程。

图3：a) 双加捻RGO@HHF的脱盐过程。b) 在20wt % NaCl溶液中脱盐过程中，一个太阳光强度照射下的RGO@HHF随时间变化的红外图像。c) 延时快照显示了原始RGO@HHF纤维和d)双加捻RGO@HHF纤维在脱盐过程中的盐积累。e) 20 wt% NaCl溶液中，双加捻RGO@HHF纤维在不同光照条件下的温度变化。f) 不同太阳光强度照射下水分随时间的变化。g) 双加捻RGO@HHF纤维在不同盐浓度下的重量变化情况。h) 双加捻RGO@HHF纤维在不同盐浓度下的蒸发速率。i, j) 原始盐水和收集到的冷凝蒸汽水在经过太阳热蒸发后的离子浓度。

该研究成果以“Programmable Water/Light Dual-Responsive Hollow Hydrogel Fiber Actuator for Efficient Desalination with Anti-Salt Accumulation”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。南通大学纺织服装学院刘慧副教授为第一作者，福州大学石油化工学院赖跃坤教授为通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金项目的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202302038

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（责任编辑：xu）

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