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  近期，四川大學金勇教授團隊合成了一種新型太陽能驅動的異質結水凝膠（PRTZ），通過結合光催化降解與可逆相變誘導的水釋放機制，實現了高效廢水凈化和淡水生成。PRTZ水凝膠由還原氧化石墨烯（RGO）、二氧化鈦（TiO₂）和硫化鋅（ZnS）組成的異質結催化劑（RTZ）嵌入具有低臨界溶解溫度（LCST）特性的聚（N,N-二乙基丙烯酰胺）（PDEAAm）三維網絡中制成。實驗表明，PRTZ水凝膠在0.8太陽光照下可實現96.09%的污染物去除效率和8.87 kg·m^-2·h^-1的淡水收集速率，同時具有100%的抗菌活性。這種多模態機制為可持續清潔水生產提供了創新解決方案。

  全球淡水資源短缺和水污染問題日益嚴峻，傳統的水處理技術如太陽能驅動蒸發和光催化降解存在效率低、能耗高或二次污染等問題。近年來，基于相變誘導水釋放的被動式太陽能驅動水凝膠因其高效能源利用和低能耗特性受到廣泛關注。然而，現有水凝膠在復雜環境下吸附容量有限、穩定性不足，且難以同時實現高效污染物降解。為此，本研究設計了一種新型異質結水凝膠（PRTZ），通過整合光催化和相變水釋放機制，顯著提升了水處理效率。

  合成PRTZ：PRTZ水凝膠的制備過程如圖1所示。首先，通過水熱還原和原位限域生長法合成RTZ異質結催化劑（RGO-TiO₂-ZnS），隨后將其與PDEAAm單體通過自由基聚合法結合，形成具有三維網絡結構的水凝膠。RTZ催化劑中的RGO作為電子傳導基質，TiO₂和ZnS形成異質結結構，有效抑制電子-空穴復合，提升光催化活性。同時，PDEAAm的LCST特性（約36°C）使得水凝膠在光照下發生親水-疏水相變，實現水的快速釋放。

  光催化與凈水性能：PRTZ水凝膠在0.8太陽光照下對亞甲基藍、伊紅Y和吉姆薩染料的降解效率分別達到98.89%、99.19%和97.93%。電子自旋共振（ESR）測試證實，光照下PRTZ產生大量羥基自由基（·OH）和超氧自由基（·O₂^-），這些活性物種是污染物降解的關鍵。此外，水凝膠的相變特性使其能夠通過體積收縮釋放凈水，避免了傳統蒸發技術的高能耗問題。在0.8太陽光照下，PRTZ的淡水收集速率達8.87 kg·m^-2·h^-1，結合外加電壓（6 V）后可進一步提升至24.2 kg·m^-2·h^-1。

  抗菌性能與實際應用：PRTZ水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率均為100%。通過實際河水凈化實驗，PRTZ處理后水的電阻值從0.57 MΩ提升至1.28 MΩ，微生物數量顯著減少，證實了其在實際應用中的潛力。

  本研究成功開發了一種兼具光催化和相變水釋放功能的PRTZ異質結水凝膠，其高效、低能耗的特性為廢水處理和淡水生產提供了創新解決方案。未來研究可進一步優化材料穩定性并探索規模化應用路徑，以應對全球水資源短缺挑戰。

圖1. PRTZ水凝膠的合成示意圖及其廢水凈化機制

圖2. PRTZ水凝膠的微觀結構表征

  此外，金勇教授團隊長期圍繞水凝膠、離子凝膠、聚氨酯等基材開發各種性能和多種特殊功能材料（J. Mater. Chem. A, 2025； J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 26063； J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 23916-23928；Adv. Funct. Mater. 2023, 2301921；Chemical Engineering Journal 498 (2024) 155505、Chemical Engineering Journal 456 (2023) 141082、Chemical Engineering Journal 476 (2023) 146840、Chemical Engineering Journal 438 (2022) 135596；Nano Energy 104 (2022) 107962；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 39120?39131、ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 35469?35482）。

  該研究成果以題為“A solar-driven heterojunction hydrogel withreversible phase transition for efficientphotocatalytic decontamination and freshwatergeneration”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/d5ta01079a

  下載：A solar-driven heterojunction hydrogel withreversible phase transition for efficientphotocatalytic decontamination and freshwatergeneration