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  全球變暖與水資源短缺危機(jī)下，傳統(tǒng)水處理技術(shù)（如膜過濾、熱蒸餾）因高能耗、基建復(fù)雜難以滿足農(nóng)村/災(zāi)區(qū)需求。太陽能驅(qū)動(dòng)水凝膠技術(shù)因其零碳排、低成本優(yōu)勢(shì)成為研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)有技術(shù)仍面臨三大瓶頸：①界面蒸發(fā)系統(tǒng)能效不足；②大氣集水技術(shù)依賴環(huán)境濕度；③缺乏凈化過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。如何通過材料創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)高效凈化與智能監(jiān)測(cè)一體化，成為該領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)。

  為此，四川大學(xué)金勇教授團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和調(diào)控光熱轉(zhuǎn)化模塊，提出太陽能驅(qū)動(dòng)-相變轉(zhuǎn)換-動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)"三元協(xié)同策略，設(shè)計(jì)出聚苯胺（PANI）交聯(lián)季銨化羧甲基殼聚糖（QCMCS）/聚（N,N-二乙基丙烯酰胺）（PDEAAm）互鎖網(wǎng)絡(luò)水凝膠。該導(dǎo)電水凝膠采用聚苯胺（PANI）交聯(lián)季銨化羧甲基殼聚糖（QCMCS）與聚（N,N-二乙基丙烯酰胺）（PDEAAm）網(wǎng)絡(luò)復(fù)合，通過氫鍵和靜電相互作用形成獨(dú)特的互鎖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出顯著的增韌效應(yīng)（80%應(yīng)變下171 kPa）。該水凝膠利用PANI卓越的光熱轉(zhuǎn)換效率與導(dǎo)電性，結(jié)合QCMCS的抗菌特性（對(duì)大腸桿菌/金黃色葡萄球菌有效），通過分子設(shè)計(jì)克服了PANI本征絕緣性等問題。當(dāng)少量PANI摻雜QCMCS與溫敏性PDEAAm復(fù)合時(shí)，不僅形成定向?qū)щ娡穼?shí)現(xiàn)金屬離子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其協(xié)同抗菌效應(yīng)、PDEAAm的LCST疏水轉(zhuǎn)變特性、多網(wǎng)絡(luò)豐富官能團(tuán)等優(yōu)勢(shì)更使水凝膠展現(xiàn)出：①機(jī)械性能與循環(huán)穩(wěn)定性提升；②基于溫度/金屬離子響應(yīng)的連續(xù)定向電流傳導(dǎo)；③通過吸附與粒徑抑制實(shí)現(xiàn)多污染物凈化。得益于PANI@QCMCS復(fù)合材料的多元特性，PDEAAm/PANI@QCMCS導(dǎo)電凈化器兼具優(yōu)異防污、殺菌（R=100%）和凈化性能（收集率19.17 kg m^-2 h^-1），可高效去除微塑料、微生物、油污、重金屬和染料（去除率>97%）。更具突破性的是，該水凝膠憑借柔性非金屬PANI@QCMCS電極，能通過電流變化靈敏感知不同濃度/類型的污水，可作為便攜式凈化器-計(jì)算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)交互式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)研究為太陽能凈水技術(shù)提供了全新思路，有望從根本上改變?nèi)祟惾粘Ｓ盟绞健?/span>

圖1 光熱水凝膠的制備及其相變機(jī)制：（a） 不同組分水凝膠的制備；（b）光熱水凝膠的相變機(jī)制；（c）光熱水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的組成。

圖2 太陽能驅(qū)動(dòng)釋水性能：(a) 不同組分水凝膠的紫外-可見-近紅外吸收光譜；(b) 不同組分水凝膠表面溫度隨光照時(shí)間的變化；(c, d) 初始及溶脹態(tài)水凝膠的差示掃描量熱分析；(e) 上圖：PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠吸水飽和狀態(tài)與釋水后形態(tài)對(duì)比；下圖：紅外熱成像顯示的PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠表面溫度分布；(f, g) PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠在43.6°C加熱前后的滲水行為對(duì)比；(h) 不同組分水凝膠的質(zhì)量損失曲線；(i) PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠在不同溫度下的釋水行為；(j) PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠10次循環(huán)使用中的釋水效率。

圖3 PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠的污水凈化性能評(píng)估：（a） 微塑料、油污及酵母菌懸液經(jīng)PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠處理前后的顯微圖像對(duì)比；（b） 不同離子污染水體經(jīng)水凝膠處理前后的濃度變化；（c） 多種重金屬離子溶液經(jīng)三次循環(huán)處理后的濃度變化；（d-g）典型染料溶液（羅丹明6G、亞甲基藍(lán)、曙紅Y、甲基橙）處理前后的濃度變化；（h） PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠的凈化機(jī)理示意圖。

圖4 自然日光驅(qū)動(dòng)的凈水體系：（a） 具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能的太陽能驅(qū)動(dòng)凈化體系；（b）PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠在錦江（中國成都）水面漂浮吸水2小時(shí)；（c） 紅外熱像儀顯示的水凝膠表面溫度分布；（d）太陽能自組裝凈化系統(tǒng)示意圖；（e） 自然光照下從水凝膠收集的凈化水樣；（f） 不同日照時(shí)間下水凝膠表面溫度變化；（g） 凈化過程中水凝膠的電導(dǎo)率變化曲線；（h-j） 錦江取樣水（中國成都）與水凝膠凈化水樣的光學(xué)圖像對(duì)比；（k） 凈化前后錦江水電導(dǎo)率變化。

  此外，金勇教授團(tuán)隊(duì)長期圍繞水凝膠、離子凝膠、聚氨酯等基材開發(fā)各種性能和多種特殊功能材料（J. Mater. Chem. A, 2025； J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 26063； J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 23916-23928；Adv. Funct. Mater. 2023, 2301921；Chemical Engineering Journal 498 (2024) 155505、Chemical Engineering Journal 456 (2023) 141082、Chemical Engineering Journal 476 (2023) 146840、Chemical Engineering Journal 438 (2022) 135596；Nano Energy 104 (2022) 107962；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 39120?39131、ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 35469?35482）。

  該研究成果以題為“Solar-driven electroconductive multifunctional hydrogel with reversible phase transition for water purifying and on-the-fly monitoring purification”在《Nano Energy》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/10.1016/j.cej.2024.155505