第一作者：朱海博士
通讯作者：黄羽教授、夏帆教授
通讯单位：中国地质大学（武汉）
DOI：10.1016/j.xcrp.2021.100669
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超润湿性和光催化是界面科学的两个重要性质。具有稳定(超)亲水性和(超)疏水性的光催化剂已被广泛研究报道。然而，在同一表面上实现长期稳定的响应型湿润性和光催化的工作鲜有报道。基于此，中国地质大学（武汉）夏帆教授课题组研发了一种强机械性能的超润湿油漆涂层，它同时具有温度控制的可逆超润湿转变和可控的光催化性能。在温度高于25℃时，涂层显示（超）疏水的性质；而当温度小于25℃时，涂层显示（超）亲水性。即使经过砂纸磨损、刀片刻划、手指擦拭和紫外线照射的处理后，超疏水和超亲水的转变依然能够实现50次的可逆循环。同时，涂层表面的抗紫外线性能保证了响应型超润湿性和光催化的长期共存。而对于水性染料，如亚甲基蓝、甲基橙，其光降解效率可以在此温控超润湿涂层上进行可逆地调控。以亚甲基蓝降解为例，在50℃时，由于超疏水涂层与亚甲基蓝液滴之间所接触的催化位点较少，其降解率最低，约为15.0%。相反地，在10℃时的超亲水涂层表面上，降解效率最高，约为95.5%，主要归因于有足够的催化位点与靶标溶液充分接触。
背景介绍
光催化是一种绿色、经济、可持续的污染物降解技术。(超)亲水催化剂是目前报道最多的催化材料，其对水性和油性染料都具有高效的降解作用。（超）疏水性和光催化一度被认为是不可长期共存的两个界面性质，主要因为超疏水材料上的低表面能物质很容易被光催化剂上激发的自由基分解。近年来，通过将疏水聚合物和金属氧化物光催化剂结合在一起，在表面上实现了稳定的疏水性和光催化性质。然而，到目前为止，能够将响应型超润湿性和光催化性能长期实现于同一表面的研究工作非常少见。
众所周知，表面成分和微纳米结构是实现表面超润湿性的两个重要因素。但是，由于表面的微观结构极易磨损，所以如何保证超润湿表面的机械稳定性是实现其面向实际应用的关键。现如今，通过“黏胶+涂层”的方式，可以极大地提高超润湿材料的机械性能。因此，在响应型超润湿表面上实现有效的机械耐久性，将会进一步促进了超润湿光催化剂在实际生活中的利用。
近些年来，中国地质大学（武汉）夏帆教授课题组对光催化剂的润湿性改性进行了一系列的研究（Nanoscale, 2020, 12, 11455；NPG Asia Materials, 2021, 13, 47；Water Research，2021, 206, 117759；ACS Catalysis, 2021, 11, 14751）。本文主要报道了一种响应型润湿性的光催化涂层，通过温度控制表面的超润湿转变，从而调控光催化效率（Cell Reports Physical Science, 2021, 2, 100669）。
图文解析
图1. 温控超润湿涂层的光催化性能调控：即使进行机械破坏，该涂层依然保持着稳定且可逆的超润湿转变，进而调控光催化性能。
图2. 超润湿响应性涂料的表征：在涂层制备中，只有当环氧树脂（ER）、聚乙二醇（PEG）、氟硅烷（PFOS）、双尺寸二氧化钛纳米颗粒（TiO2，~200 nm和~21 nm）、聚异丙基丙烯酰胺（PNIAPM）全部定量化配比时，表面的温度响应型的超润湿性可以自由切换。并且，即使进行50次的温度变化，表面的超疏水性和超亲水性依然可以实现可逆转变。
图3. 超润湿响应型涂料的机械稳定性：当在表面上进行砂纸磨损、刀片刮划和手指擦拭时，表面的形貌虽然发生了变化，但仍有粗糙的结构。所以重复50次温度变化后，涂层上的超疏水性和超亲水性依然可逆地转换。
图4.超润湿响应型涂料的抗紫外线性能：PFOS-TiO2表面的PFOS在紫外光下容易被其表面的自由基降解。然而，当颗粒外负载了聚合物膜时，即使与颗粒直接接触的PFOS易被降解，但是与聚合物层接枝的PFOS依然可以稳定存在。因此，即使进行50小时的紫外线照射，该涂层表面的温控超润湿转变依然存在，且可以重复50次。
图5. 超润湿响应型涂料的可控光降解：在低温时，涂层表面显示（超）亲水性，液滴在表面上快速铺展，所以具有充足的接触位点，所以此时的涂层具有最大的催化效率（约95.5%）；当温度增加时，表面的接触角增大，伴随着接触面积或者接触线的减小，意味着所接触的催化位点也减少，此时的降解效率最低，约为15.0%。所以，通过控制温度，改变所降解溶液与催化剂的接触面积或接触线，可以有效控制涂层的光降解效率。
总结展望
本工作报道了一种多功能的油漆涂层，实现了响应型超润湿性和光催化性的长期共存。同时，根据涂层上的温度响应的超润湿性转变，伴随着接触面积或者接触线的变化，可对光催化性能进行可逆地调控。此工作为界面科学中的超润湿领域和光催化领域的研究搭起了桥梁，为交叉学科的发展提供了极大的参考价值。
此论文还得到中国地质大学（武汉）娄筱叮教授的大力支持。这项工作得到了国家自然科学基金（22090050, 21874121, 51803194）的支持及浙江省自然科学基金项目（LD21B050001, LY20B050002）的资助。
第一作者介绍
朱海，中国地质大学（武汉）材料与化学学院博士，导师为夏帆教授。主要研究界面材料在环境化学中的应用，目前以第一作者身份发表SCI论文10余篇，如Cell Reports Physical Science、ACS Catalysis、Water Research、NPG Asia Materials、Applied Materials Today等，H因子12。E-mail：zhuhaizh16@163.com。
通讯作者介绍
黄羽，中国地质大学（武汉）材料与化学学院研究员、博士生导师。获湖北省高层次人才引进计划支持，湖北省“楚天学者计划”楚天学子。长期围绕微/纳结构测量界面对系列环境、生物相关靶标的高灵敏度检测，进行深入的研究工作，已发表（含接收）SCI论文30余篇，SCI总引1500 余次，H因子20。研究成果受到国内外同行的关注，多次被Chem. Soc. Rev., Chem. Rev., Adv. Mater., Anal. Chem., Advanced Science News等期刊或网站报道。
夏帆，中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室，材料与化学学院院长、教授、博导。主要从事生物传感器、生物分子响应性纳米孔道、界面超润湿调控等研究，取得了多项创新成果。迄今为止，已发表SCI 论文150余篇，总被引超过10000余次，H因子50。获得多项荣誉，如国家自然科学基金委重大项目（2020）、国家自然科学基金委“国家杰出青年基金”（2015）、国务院政府特殊津贴（2018）等。
文献来源
Hai Zhu, Yidan Tu, Cihui Luo, Li Dai, Xiaoding Lou, Yu Huang,* Fan Xia.* Temperature-triggered switchable superwettability on a robust paint for controllable photocatalysis. Cell Reports Physical Science, 2021, 2, 100669.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266638642100391X
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