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南通大學劉慧副教授、福州大學賴躍坤教授 AFM：可控水/光雙重響應(yīng)型中空水凝膠纖維驅(qū)動器實現(xiàn)高效脫鹽及防鹽沉積
2023-06-07  來源：高分子科技

  能夠感知、適應(yīng)并與環(huán)境刺激相互作用的智能纖維驅(qū)動器有著良好的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)的纖維制動器在對復(fù)雜環(huán)境的快速傳感和驅(qū)動依然存在著困難。此外，太陽能蒸汽冷凝法是一種很有前途的連續(xù)海水脫鹽技術(shù)。然而，隨著時間積累，蒸發(fā)裝置上會形成鹽積累，不利于穩(wěn)定和可持續(xù)的水蒸汽產(chǎn)生，并且鹽在材料表面的積累會破壞材料的光熱轉(zhuǎn)換性能，從而降低蒸發(fā)效率。


  近期，南通大學劉慧副教授課題組與福州大學賴躍坤教授團隊合作，通過同軸濕法紡絲制備了一種中空石墨烯水凝膠纖維，再經(jīng)過加捻、折疊、卷繞得到一種智能型雙螺旋纖維驅(qū)動器（RGO@HHF：還原石墨烯中空水凝膠纖維）（圖1）。基于中空結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的吸水性能和石墨烯材料的高效的光熱轉(zhuǎn)換性能，該驅(qū)動器可以在水、光響應(yīng)下快速實現(xiàn)動態(tài)自動伸長/收縮過程（圖2），最大驅(qū)動收縮率分別達到83%、78%，響應(yīng)速率分別可達3.8% s-1、 3.55% s-1；诖耍@種動態(tài)可逆響應(yīng)運動使其可實現(xiàn)脫鹽工藝以及防鹽沉積，纖維驅(qū)動器首先吸收海水，在水響應(yīng)下實現(xiàn)收縮，然后在光照下，海水蒸發(fā)，驅(qū)動器伸長繼續(xù)吸收水分，以此實現(xiàn)脫鹽循環(huán)工藝，在這一往復(fù)過程中，纖維驅(qū)動器表面積累的鹽分會溶解在海水中，解決了鹽沉積的問題，為實現(xiàn)可持續(xù)海水淡化提供了可靠的應(yīng)用前景。（圖3） 


圖1：制作工藝示意圖: a) 濕紡和b) RGO@HHF的加捻工藝。c) RGO@HHF的變形機理。d)實心和中空纖維吸水時的膨脹行為。e)同手性(Z-Z, S-S扭轉(zhuǎn))和異手性(Z-S, S-Z扭轉(zhuǎn)) RGO@HHF的響應(yīng)行為示意圖。f) RGO@HHF的海水淡化應(yīng)用。 


圖2：a1)雙加捻RGO@SHF（實心水凝膠纖維）和RGO@HHF（中空水凝膠纖維）在水刺激下的動態(tài)收縮過程。a2)雙加捻HHF和RGO@HHF在光刺激下的動態(tài)收縮過程。b)同手性和異手性的雙加捻RGO@HHF纖維的伸長/收縮驅(qū)動示意圖。異手性(c)和同手性(d)雙加捻纖維驅(qū)動器在水和光刺激下的動態(tài)收縮和伸長過程。 


圖3：a) 雙加捻RGO@HHF的脫鹽過程。b) 在20wt % NaCl溶液中脫鹽過程中，一個太陽光強度照射下的RGO@HHF隨時間變化的紅外圖像。c) 延時快照顯示了原始RGO@HHF纖維和d)雙加捻RGO@HHF纖維在脫鹽過程中的鹽積累。e) 20 wt% NaCl溶液中，雙加捻RGO@HHF纖維在不同光照條件下的溫度變化。f) 不同太陽光強度照射下水分隨時間的變化。g) 雙加捻RGO@HHF纖維在不同鹽濃度下的重量變化情況。h) 雙加捻RGO@HHF纖維在不同鹽濃度下的蒸發(fā)速率。i, j) 原始鹽水和收集到的冷凝蒸汽水在經(jīng)過太陽熱蒸發(fā)后的離子濃度。


  該研究成果以“Programmable Water/Light Dual-Responsive Hollow Hydrogel Fiber Actuator for Efficient Desalination with Anti-Salt Accumulation”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。南通大學紡織服裝學院劉慧副教授為第一作者，福州大學石油化工學院賴躍坤教授為通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金項目的支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202302038

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（責任編輯：xu）
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