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  由于在石油、采礦和食品工業中有大量的含油廢水被排放到環境中，高效、低成本且可連續使用的油水分離材料的研發迫在眉睫。近年來，受到荷葉表面自清潔特性的啟發，具有特殊濕潤性的仿生材料，例如超疏水/超親油型材料成為了研究的熱點。迄今為止，大量制備超濕潤性材料的方法已被提出并廣泛應用到油水分離領域，但同時具有制備簡單、可大規模生產、成本低和能耗小的方法仍然是一個挑戰。

  近日，美國德州A&M大學方磊教授和Banerjee教授團隊報道了一種基于四腳針狀氧化鋅（T-ZnO）和聚丙烯酸酯類的簡易可大規模制備的超疏水/超親油涂層。T-ZnO在體系中起到了一石二鳥的作用：（1）在UV光照下產生空穴，引發單體的自由基聚合從而形成低表面能的粘結層；（2）增加表面的粗糙度從而使其具有超濕潤性。該涂層制備方法簡單，成本低廉，并且過程中無需加熱，因此很容易大規模生產。實驗室中已展示制備30×60 cm的樣品，但理論上其一次性制備的尺寸可以大得多。該方法的另一個顯著優點是其可應用在不耐熱的基材上（例如聚乙烯和聚乳酸）來構建超疏水表面。

圖1. T-ZnO引發光聚合制備T-ZnO/PMA復合涂層

  將T-ZnO噴涂的基材浸泡在單體的醇溶液中，同時進行UV（365 nm）光照，洗掉單體并干燥后可制得T-ZnO/聚甲基丙烯酸酯類復合涂層。具有較長烷基側鏈的聚甲基丙烯酸十二烷基酯（PLMA）擁有較低的表面能，而T-ZnO減小了固體表面和液滴的接觸面積，共同作用使得噴涂的鐵網表面變得超疏水（接觸角155.1°，滾動角8°）。當PLMA含量超過總重量的40%時，表面粗糙度減小從而導致表面疏水性減弱。T-ZnO/PLMA-40涂層覆蓋的鐵網能實現重力驅動下非互溶高/低表面能液體的高效分離（閾值~35 mN m^-1）。以十六烷/水混合物為例，在40次分離后鐵網仍可保持超過99%的分離效率和41400 Lm^-2h^-1的滲透流速。此外，作者還將涂層運用到定量濾紙表面以高效分離乳化劑穩定的油水乳液。

圖2. T-ZnO/PLMA-40鐵網用于液/液分離：(a)-(c) 三種非互溶液體的分離；(d) 水的突破壓力；(e) 不同液/液混合物的分離效率；(f) 十六烷/水的循環分離效率；(g) 流速

圖3. T-ZnO/PLMA定量濾紙: (a), (b) SEM圖片；(c) 用于分離油水乳液；(d) 分離前后的DLS數據

  PLMA的存在賦予了涂層優異的力學性能，在經過超過100000次水滴撞擊或600次高壓（4 bar）水槍噴灑后，T-ZnO/PLMA-40鐵網仍舊保持了超疏水性能，并且表面結構沒有顯著的改變。除了物理磨損，PLMA還使得涂層在極端的化學條件（強酸，強堿，高溫）下保持了超過150°的接觸角，從而讓其可在上述嚴苛條件下進行液/液分離。

圖4. T-ZnO/PLMA-40鐵網的接觸角隨外界影響的變化：(a) 高壓水槍噴涂；(b) 水滴撞擊；(c) 化學環境

  該工作為高效、低能耗、大規模制備超濕潤性材料用于非互溶液/液分離提供了嶄新思路。ZnO同時作為光引發劑和表面粗糙度的來源大大簡化了體系的復雜度。該論文以“Photopolymerized superhydrophobic hybrid coating enabled by dual-purpose tetrapodal ZnO for liquid/liquid separation”為題發表在《Materials Horizons》上。該論文第一作者為德州A&M大學化學系博士研究生李臣軒，方磊教授和Sarbajit Banerjee為共同通訊作者。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MH/D1MH01672E