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四川大學金勇教授團隊 JMCA：一種受含羞草啟發的光熱響應多功能水凝膠用于被動式太陽能驅動高效水凈化

2023-11-24 來源：高分子科技

盡管目前光熱響應材料取得了一定的進步，但開發具有優異去污和殺菌性能、高產水率，同時保持超親水性、廣譜太陽能吸收性和超強光熱轉換能力并能重復使用的多功能被動式太陽能驅動廢水凈化水凝膠仍然是一個巨大的挑戰。

提到“有趣的”植物時，含羞草是首選。它以其葉子的收縮或展開來響應外界刺激而聞名。受此啟發，四川大學金勇教授團隊基于相變體積收縮策略，構建了一種光熱響應的多功能廢水凈化水凝膠。該水凝膠巧妙地將相變單體NIPAm、主要抗菌組分羧甲基殼聚糖（CMCS）和光熱轉換調節器羧基多壁碳納米管（CMCNTs）集成一體。所得到的PNIPAm/CMCS/CMCNTS水凝膠具有良好的重復可逆壓縮性能和令人滿意的光熱轉換效率（～98.7%）, 同時具有高效廢水凈化性（產水率9.83 kg m^-² h^-¹），去污性（去除率R>90.8%），抗菌性（殺菌率P>98.2%）等功能特性。此外，PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠還具有便攜性，這對于水資源缺乏或水污染嚴重的地區具有重要的意義。該研究為未來可再生太陽能作為驅動能源的便攜式廢水凈化收集器的發展提供理論支持，并擴大水凝膠材料的應用潛力。

圖1. (a)含羞草基于刺激的形狀變化。(b) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠的組成。(c) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠凈化機制示意圖。

圖2. (a)水凝膠的壓縮應力-應變曲線(b) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠在15個循環中的可逆壓縮應力-應變曲線。（c-d）水凝膠的流變性能。(e)在室溫下通過水凝膠頂部的水滴進行的動態潤濕行為。

圖3. (a)不同組分水凝膠的UV-vis-NIR吸收光譜。(b)不同組分水凝膠的DSC圖譜。(c) 一個標準太陽照射下不同組分水凝膠表面溫度的變化。(d) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠在不同光照時間下的紅外熱成像。(e)純水和PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠在一個標準太陽照射下的質量變化。(f) 在一個標準太陽照射下，不同水凝膠的集水性能比較。(g)PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠的相變響應機理示意圖。

圖4. (a) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠凈化處理前后己烷、石油醚乳液和酵母溶液廢水溶液的顯微圖像。(b) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠吸附廢水中染料和重金屬離子的機理。(c)PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠純化處理一次后廢水中Cr³⁺和Cd²⁺濃度的變化。(d) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠凈化前后溴甲酚綠溶液的紫外-可見曲線圖。(e)不同組分水凝膠去除甲基橙的紫外-可見曲線。

圖5. (a) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠漂浮在東湖和自然陽光驅動的清水產生圖像。(b)PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠處理湖水前后的顯微圖像。PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠凈化處理前后東湖水的TOC含量(c)和電導率(d)。

該研究成果以題為“A mimosa-inspired photothermal-responsive multifunctional hydrogel for passive solar-driven efficient water purification”在《Journal of Materials Chemistry A》上發表，第一作者為四川大學輕工科學與工程學院博士生梅江洋，金勇教授為本論文的通訊作者。該項研究也得到了國家自然科學基金及四川省科技支撐計劃等項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3TA05272A

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

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（責任編輯：xu）

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