快讯！普林斯顿大学《先进材料》弹性水凝胶用于太阳能驱动净化水

【科研摘要】

进入 21世纪，全球对清洁和安全水的需求将继续增长。展望未来，随着气候的变化，缺乏清洁水将威胁人类健康，使宝贵的能源紧张，这将进一步恶化。因此，从污染源生产饮用水的未来创新必须是可持续的。

普林斯顿大学华人学者 Xiaohui Xu博士 和 Rodney D. Priestley 教授 团队 受自然启发，开发了一种太阳能吸收剂凝胶（SAG），可仅使用自然阳光从污染源中净化水。 SAG由弹性热响应性聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）水凝胶，光热聚多巴胺（PDA）层和藻酸钠（SA）网络组成。 SAG的生产很容易；所有处理都是基于水的，并且在室温下进行。值得注意的是，SAG可以仅使用阳光就能从各种包含小分子，油， 金属和病原体的有害储水池中净化水。 SAG依靠太阳能在较低的临界溶液温度下驱动亲水/疏水相转变。 由于净化机制不需要耗水的水蒸发过程，因此被动式太阳能净水率最高。这一发现对于可持续生产清洁水以改善人类生活质量可能具有革命性意义。 相关论文以题为 A Bioinspired Elastic Hydrogel for Solar‐Driven Water Purification 发表在《Advanced Materials》上

【主图】

图1 阳光驱动的 SAG技术用于水生产。 a）河豚在受到威胁时通过摄取和释放水来改变其形状。b）受河豚启发，SAG技术基于自然光下PNIPAm的相变（溶胀和消溶胀）。SAG在大气温度下从受污染的水中收集大量清洁水，并在自然阳光下产生清洁水。

图2 SAG的制备和形态。 a）在室温下制备SAG。b）PNIPAm–PDA杂合凝胶的孔径分布。c）在不同放大倍数下PDA装饰的凝胶的扫描电子显微镜（SEM）图像显示了大孔结构。d）SEM图像；C，O，Cu和Na元素映射图像的能量色散X射线光谱学; 以及SAG的横截面图。

图3 SAG的机械，润湿性和组件特性。 a）在PNIPAm凝胶上以80％的压缩应变进行九次循环疲劳测试的结果。b）在80％的压缩应变下，SAG的可逆压缩应力-应变曲线；插图是压缩-减压测试周期的照片。c）光学图像显示了室温下，SAG（顶部），PDA修饰的PNIPAm凝胶（中）和PNIPAm凝胶（下）上方水滴（约30 µL）的动态润湿行为。d）样品的O 1s，N 1s和C1s XPS光谱。

图4 轻触发的放水性能。 a）肿胀的PNIPAm，PNIPAm–PDA和SAG的DSC热分析图。b）PNIPAm，PNIPAm-PDA和SAG的UV-NIR吸收光谱。c）在一次阳光照射下，各种凝胶的表面温度随时间变化。d）3D多孔凝胶在一次阳光照射下的红外图像。e）在一次阳光照射下，纯净水和水溶胀的凹陷的质量变化。f）在一个阳光照射下，SAG和先前报道的凝胶的集水性能比较。

图5 废水修复评估。 a）从染料污染的水中生成SAG的纯净水的示意图。b）在一个阳光照射下，SAG的UV-vis吸附模拟的R6G污染的水和生成的水。c）通过SAG纯化的水中Pb 2+ 的浓度。插图显示了第二次SAG处理后Pb 2+ 浓度的变化。d，e）在用SAG处理之前和之后，SDS稳定化的水环己烷乳液（d）和酵母溶液（e）的数字和显微照片。

图6 自然阳光驱动的清洁水生成。 a，b）漂浮在卡内基湖顶上的SAG净化系统的照片。b）在自然阳光下的集水凹陷系统。c）在自然阳光下SAG的表面温度。d，e）卡内基湖水（d）和由SAG提纯的水（e）的光学图像。f）在SAG净化前后，卡内基湖水的电导率。

【总结】

在阳光下的净水率为 7.18 kg m -2 h -1 的情况下， SAG的发展应引起行业和政府的关注，这些政府和政府都关心以可持续的方式改善清洁水的获取， 对世界人口的低能耗方法。 该技术既可扩展又可模块化，可用于净化各种来源的水。 作者 希望这些引人入胜的功能可以为SAG通过提供重要资源，干净的水来改善社会上许多人的健康铺平道路。

参考文献 ： doi.org/10.1002/adma.202007833

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