《AFM》离子诱导相分离实现的具有可调互连孔结构的聚两性离子水凝胶！

具有可调互连孔结构的水凝胶由于其高效和可调节的传输特性，在需要受控质量传输的应用中获得了极大的关注。然而，开发稳健的制造策略以实现稳定和精确定制的孔结构仍然是一个重大挑战。盐离子-提出了一种诱导相分离法制备具有互连孔结构的两性离子水凝胶，通过利用盐离子，通过调节聚合物链的水合作用，该方法可引发两性离子链聚集，从而形成互连孔。值得注意的是，通过在水凝胶聚合过程中调节盐离子浓度，可轻松实现孔结构调节。当应用于太阳能蒸汽发生时，基于具有优化互连孔结构的两性离子水凝胶的蒸发器表现出高效的传质能力，显示出1.950 kg m−2 h−1的加速蒸发率。此外，这些水凝胶表现出显着的稳定性，在高盐度盐水（10重量%的NaCl）中保持一致的性能超过12小时。这项研究提供了一个实用的和可扩展的方法，工程水凝胶孔结构，在解决能源，环境和生物医学领域的各种质量传输挑战提供了广泛的适用性。

图解

图1:PSBMA水凝胶制备和孔结构形成的示意图。a）盐离子浓度影响光聚合过程中PSBMA链的构象，导致不同的孔隙结构。B）由渗透压主导的闭孔结构中的缓慢水输送和由毛细作用主导的开孔结构中的快速水输送。虚线箭头显示水输送的路线。在SSG期间分离具有开孔结构的PSBMA水凝胶。

图2：在盐溶液中制备PSBMA。a）在具有不同盐种类和浓度的溶液中聚合的PSBMA水凝胶的照片。B）聚合后聚合物链状态的示意图，取决于离子种类。

图3：盐溶液中水和聚合物链之间的相互作用。a）在纯水中制备的PSBMA水凝胶的照片及其在水、NaCl和Na 2 SO 4溶液中的溶胀平衡状态。B）溶胀比的相应比较图和c）SEM图像。d）PSBMA水凝胶在不同条件下的拉曼光谱：d1）在纯水中的干燥和溶胀平衡，d2）在NaCl溶液中，和d3）在Na 2SO 4溶液中。e）聚合物链之间的相互作用（黑色短划线：静电吸引;白色短划线：静电排斥）和PSBMA链在不同盐溶液中的铺展或塌陷行为的示意图。

图4：Na 2SO 4浓度对PSBMA结构的影响。a）在SBMA浓度为1.00 mol L-1的Na 2SO 4溶液中聚合的PSBMA水凝胶的SEM图像。B）用不同SBMA和Na 2SO 4浓度制备的PSBMA水凝胶的微结构图。（i）闭孔和过渡结构;（ii）互连开孔结构;（iii）双层结构。c）在聚合过程中由于SO 4 2−与水分子的竞争性结合，SO 4 2−诱导PSBMA链坍塌的示意图，导致PSBMA水凝胶的相分离并形成不同的孔结构特征。最后一列中的ATPS示意图显示了在顶部和底部阶段中的组分之间的差异。

图5：具有互连孔结构的PSBMA水凝胶的溶胀性能S1.00-1.50、S1.25-1.50、S1.50-1.50和S1.75-1.50水凝胶在a）纯净水，B）3.5重量%，和c）10.0重量% NaCl溶液20分钟。d）平衡时相应溶胀比的比较图。e）PSBMA水凝胶在3.5重量% NaCl溶液中溶胀平衡的SEM图像。具有f）低聚合物含量和g）高聚合物含量的PSBMA水凝胶的溶胀行为的示意图。

图6：PSBMA-PPy水凝胶蒸发器的光热性质和SSG性能a）PSBMA-PPy水凝胶制备的示意图B）在纯净水和3.5重量% NaCl溶液中溶胀的PSBMA-PPy水凝胶的照片c）PSBMA-PPy水凝胶的顶部和底部区域的SEM图像d，f）在1.0kW m-2太阳辐射下，冷冻干燥的PSBMA-PPy水凝胶的表面温度随时间的变化，和e，g）辐射时间为0.300，和600 s. h）SSG实验装置的示意图，太阳辐射下PSBMA-PPy水凝胶蒸发器的温度分布，以及SSG过程中水凝胶中的水传输。i）基于PSBMA-PPy水凝胶蒸发器的蒸发系统在1.0 kW m−2太阳辐射下在纯水和NaCl溶液中的蒸发速率的比较图。

图7：用于海水淡化的室外SSG性能。a）基于海绵状PSBMA-PPy水凝胶蒸发器的实验室制造的SSG系统的照片和B）示意图。c）从7：30到17：30每小时记录太阳强度、环境温度和淡水质量。30. d）天然海水和采出水中四种主要金属离子的浓度。e）直径为1.23 cm的PSBMA-PPy水凝胶蒸发器的照片。f）离子诱导相分离方法与冻融方法之间的比较。

结论

总之，我们提出了一种离子诱导的相分离策略来精确地设计光聚合过程中聚两性离子PSBMA水凝胶的孔结构。我们发现孔结构表现出强烈的离子浓度依赖性，在适当的SBMA单体浓度下，随着Na 2SO 4浓度的增加，结构逐渐从闭孔结构转变为开孔结构。多孔PSBMA水凝胶具有快速吸水和传输性能。当部署在SSG中时，优化的水凝胶在3.5 wt.% NaCl盐水中实现了1.950 kg m−2 h−1的蒸发速率和1.950 kg m − 2 h − 1的太阳能-蒸汽效率。互连的孔隙网络确保了稳定的供水，展望未来，我们的离子诱导相分离策略提供了一个可扩展的无溶剂平台，用于设计具有定制孔结构的水凝胶，解锁能量转换，先进分离技术，和生物医学工程。

来源：胶粘材料