四川大学金勇教授团队 JMCA：一种受含羞草启发的光热响应多功能水凝胶用于被动式太阳能驱动高效水净化

2023-11-24 来源：高分子科技

尽管目前光热响应材料取得了一定的进步，但开发具有优异去污和杀菌性能、高产水率，同时保持超亲水性、广谱太阳能吸收性和超强光热转换能力并能重复使用的多功能被动式太阳能驱动废水净化水凝胶仍然是一个巨大的挑战。

提到“有趣的”植物时，含羞草是首选。它以其叶子的收缩或展开来响应外界刺激而闻名。受此启发，四川大学金勇教授团队基于相变体积收缩策略，构建了一种光热响应的多功能废水净化水凝胶。该水凝胶巧妙地将相变单体NIPAm、主要抗菌组分羧甲基壳聚糖（CMCS）和光热转换调节器羧基多壁碳纳米管（CMCNTs）集成一体。所得到的PNIPAm/CMCS/CMCNTS水凝胶具有良好的重复可逆压缩性能和令人满意的光热转换效率（～98.7%）, 同时具有高效废水净化性（产水率9.83 kg m^-² h^-¹），去污性（去除率R>90.8%），抗菌性（杀菌率P>98.2%）等功能特性。此外，PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶还具有便携性，这对于水资源缺乏或水污染严重的地区具有重要的意义。该研究为未来可再生太阳能作为驱动能源的便携式废水净化收集器的发展提供理论支持，并扩大水凝胶材料的应用潜力。

图1. (a)含羞草基于刺激的形状变化。(b) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶的组成。(c) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶净化机制示意图。

图2. (a)水凝胶的压缩应力-应变曲线(b) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶在15个循环中的可逆压缩应力-应变曲线。（c-d）水凝胶的流变性能。(e)在室温下通过水凝胶顶部的水滴进行的动态润湿行为。

图3. (a)不同组分水凝胶的UV-vis-NIR吸收光谱。(b)不同组分水凝胶的DSC图谱。(c) 一个标准太阳照射下不同组分水凝胶表面温度的变化。(d) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶在不同光照时间下的红外热成像。(e)纯水和PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶在一个标准太阳照射下的质量变化。(f) 在一个标准太阳照射下，不同水凝胶的集水性能比较。(g)PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶的相变响应机理示意图。

图4. (a) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶净化处理前后己烷、石油醚乳液和酵母溶液废水溶液的显微图像。(b) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶吸附废水中染料和重金属离子的机理。(c)PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶纯化处理一次后废水中Cr³⁺和Cd²⁺浓度的变化。(d) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶净化前后溴甲酚绿溶液的紫外-可见曲线图。(e)不同组分水凝胶去除甲基橙的紫外-可见曲线。

图5. (a) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶漂浮在东湖和自然阳光驱动的清水产生图像。(b)PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶处理湖水前后的显微图像。PNIPAm/CMC/CMCNT水凝胶净化处理前后东湖水的TOC含量(c)和电导率(d)。

该研究成果以题为“A mimosa-inspired photothermal-responsive multifunctional hydrogel for passive solar-driven efficient water purification”在《Journal of Materials Chemistry A》上发表，第一作者为四川大学轻工科学与工程学院博士生梅江洋，金勇教授为本论文的通讯作者。该项研究也得到了国家自然科学基金及四川省科技支撑计划等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D3TA05272A

下载：A mimosa-inspired photothermal-responsive multifunctional hydrogel for passive solar-driven efficient water purification

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（责任编辑：xu）

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