清华曲良体团队Nature Water：兼具多效净化和超强抗污功能的光热水净化凝胶膜

邃瞳科学云

2023-11-06

导读：本研究开发了一种多功能光热水净化凝胶膜，能够利用太阳能直接从受污染的地表水中获取清洁水蒸气，产生可饮用的淡水。

光热水净化技术以太阳能为驱动力，具有可持续、碳中和、低成本的优势，是解决全球水资源危机的重要策略之一。其净化原理主要基于热蒸馏过程，而地表水体中存在着复杂污染物，难以通过简单蒸馏的方式完全净化，残留的污染物被饮用后会严重损害人体健康。同时，复杂污染水体会造成膜体的污染，影响其功能稳定与应用。

近日，清华大学化学系曲良体教授团队与合作者开发了一种多功能光热水净化凝胶膜，能够利用太阳能直接从受污染的地表水中获取清洁水蒸气，产生可饮用的淡水。该水净化策略能直接排除有机物、无机物、细菌、盐、油等对水蒸气和膜体的污染，为高效光热海水淡化等领域的发展和应用提供新思路。相关研究成果以“ Multifunctional solar water harvester with high transport selectivity and fouling rejection capacity ”为题，发表于Nature Water 期刊。论文第一作者为清华大学化学系博士生郝轩章，通讯作者为清华大学教授曲良体、助理研究员程虎虎以及瑞典斯德哥尔摩大学教授袁家寅。该研究依托于清华大学有机光电子与分子工程教育部重点实验室、摩擦学国家重点实验室开展，获得了国家自然科学基金委、清华-佛山先进制造研究院等的支持。

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图1.通过GAH从含有复杂污染物的地表水中获取洁净水

该研究基于鱼鳞启发的表面结构设计并通过高密度的聚合物网络调控，开发了石墨烯/海藻酸凝胶膜（GAH）。该膜由氧化石墨烯/海藻酸钠混合分散液经成膜、多次离子交联、化学还原及激光直写表面结构获得。

通过多次交联循环制备工艺，GAH具有致密的聚合物分子链网络，其内部水分子以结合态存在，通过结合态水扩散形式实现水的净化，有效阻止污染物到达蒸发界面；同时，GAH致密聚合物分子网络上的含氧官能团会在吸水状态下发生可逆解离，在膜内部形成高渗透压，阻止污水中盐离子进入，进而实现高选择性水净化，防止长时间蒸发过程中的结盐问题。

通过激光直写制备工艺，GAH具有类似鱼鳞的微纳表面结构，其局域几何结构吸光能力增强，并具有水下防油污能力及纳米片表面灭菌能力。

图2.基于GAH的光热制洁净水机理

最终，GAH能拦截>99.5%常规挥发性有机物和100%非挥发性有机物，抑制100%的细菌，排除>99.3%的离子（如，Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺），实现高选择性净化。GAH能在3.6wt%的海水中实现>94.9%的阻盐率，使表面近100%的细菌失活，并能与各类油性有机溶剂形成>140°的水下接触角，实现多效防污功能。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s44221-023-00152-y

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