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四川大學(xué)金勇教授團(tuán)隊(duì) JMCA：一種受含羞草啟發(fā)的光熱響應(yīng)多功能水凝膠用于被動(dòng)式太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)高效水凈化
2023-11-24  來(lái)源：高分子科技

  盡管目前光熱響應(yīng)材料取得了一定的進(jìn)步，但開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異去污和殺菌性能、高產(chǎn)水率，同時(shí)保持超親水性、廣譜太陽(yáng)能吸收性和超強(qiáng)光熱轉(zhuǎn)換能力并能重復(fù)使用的多功能被動(dòng)式太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)廢水凈化水凝膠仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。


  提到“有趣的”植物時(shí)，含羞草是首選。它以其葉子的收縮或展開(kāi)來(lái)響應(yīng)外界刺激而聞名。受此啟發(fā)，四川大學(xué)金勇教授團(tuán)隊(duì)基于相變體積收縮策略，構(gòu)建了一種光熱響應(yīng)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(zhuǎn)換調(diào)節(jié)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(fù)可逆壓縮性能和令人滿意的光熱轉(zhuǎn)換效率（～98.7%）, 同時(shí)具有高效廢水凈化性（產(chǎn)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(duì)于水資源缺乏或水污染嚴(yán)重的地區(qū)具有重要的意義。該研究為未來(lái)可再生太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源的便攜式廢水凈化收集器的發(fā)展提供理論支持，并擴(kuò)大水凝膠材料的應(yīng)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(jī)制示意圖。


圖2. (a)水凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(b) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠在15個(gè)循環(huán)中的可逆壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c-d）水凝膠的流變性能。(e)在室溫下通過(guò)水凝膠頂部的水滴進(jìn)行的動(dòng)態(tài)潤(rùn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)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(shí)間下的紅外熱成像。(e)純水和PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)照射下的質(zhì)量變化。(f) 在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)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(yīng)機(jī)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(jī)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(jiàn)曲線圖。(e)不同組分水凝膠去除甲基橙的紫外-可見(jiàn)曲線。


圖5. (a) PNIPAm/CMC/CMCNT水凝膠漂浮在東湖和自然陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的清水產(chǎn)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(dǎo)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(fā)表，第一作者為四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院博士生梅江洋，金勇教授為本論文的通訊作者。該項(xiàng)研究也得到了國(guó)家自然科學(xué)基金及四川省科技支撐計(jì)劃等項(xiàng)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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