四川大学金勇教授团队 Nano Energy：具有可逆相变特性的太阳能驱动导电多功能水凝胶用于污水的净化与实时监测

2025-07-18 13:57:16 作者：本网发布来源：高分子科技分享至：

全球变暖与水资源短缺危机下，传统水处理技术（如膜过滤、热蒸馏）因高能耗、基建复杂难以满足农村/灾区需求。太阳能驱动水凝胶技术因其零碳排、低成本优势成为研究热点，但现有技术仍面临三大瓶颈：①界面蒸发系统能效不足；②大气集水技术依赖环境湿度；③缺乏净化过程实时监测功能。如何通过材料创新实现高效净化与智能监测一体化，成为该领域重大挑战。

为此，四川大学金勇教授团队通过优化网络结构和调控光热转化模块，提出太阳能驱动-相变转换-动态监测"三元协同策略，设计出聚苯胺（PANI）交联季铵化羧甲基壳聚糖（QCMCS）/聚（N,N-二乙基丙烯酰胺）（PDEAAm）互锁网络水凝胶。该导电水凝胶采用聚苯胺（PANI）交联季铵化羧甲基壳聚糖（QCMCS）与聚（N,N-二乙基丙烯酰胺）（PDEAAm）网络复合，通过氢键和静电相互作用形成独特的互锁网络结构，展现出显著的增韧效应（80%应变下171 kPa）。该水凝胶利用PANI卓越的光热转换效率与导电性，结合QCMCS的抗菌特性（对大肠杆菌/金黄色葡萄球菌有效），通过分子设计克服了PANI本征绝缘性等问题。当少量PANI掺杂QCMCS与温敏性PDEAAm复合时，不仅形成定向导电通路实现金属离子实时监测，其协同抗菌效应、PDEAAm的LCST疏水转变特性、多网络丰富官能团等优势更使水凝胶展现出：①机械性能与循环稳定性提升；②基于温度/金属离子响应的连续定向电流传导；③通过吸附与粒径抑制实现多污染物净化。得益于PANI@QCMCS复合材料的多元特性，PDEAAm/PANI@QCMCS导电净化器兼具优异防污、杀菌（R=100%）和净化性能（收集率19.17 kg m^-2 h^-1），可高效去除微塑料、微生物、油污、重金属和染料（去除率>97%）。更具突破性的是，该水凝胶凭借柔性非金属PANI@QCMCS电极，能通过电流变化灵敏感知不同浓度/类型的污水，可作为便携式净化器-计算机接口实现交互式实时监测。这项研究为太阳能净水技术提供了全新思路，有望从根本上改变人类日常用水方式。

图1 光热水凝胶的制备及其相变机制：（a）不同组分水凝胶的制备；（b）光热水凝胶的相变机制；（c）光热水凝胶网络结构的组成。

图2 太阳能驱动释水性能：(a) 不同组分水凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱；(b) 不同组分水凝胶表面温度随光照时间的变化；(c, d) 初始及溶胀态水凝胶的差示扫描量热分析；(e) 上图：PDEAAm/PANI@QCMCS水凝胶吸水饱和状态与释水后形态对比；下图：红外热成像显示的PDEAAm/PANI@QCMCS水凝胶表面温度分布；(f, g) PDEAAm/PANI@QCMCS水凝胶在43.6°C加热前后的渗水行为对比；(h) 不同组分水凝胶的质量损失曲线；(i) PDEAAm/PANI@QCMCS水凝胶在不同温度下的释水行为；(j) PDEAAm/PANI@QCMCS水凝胶10次循环使用中的释水效率。

图3 PDEAAm/PANI@QCMCS水凝胶的污水净化性能评估：（a）微塑料、油污及酵母菌悬液经PDEAAm/PANI@QCMCS水凝胶处理前后的显微图像对比；（b）不同离子污染水体经水凝胶处理前后的浓度变化；（c）多种重金属离子溶液经三次循环处理后的浓度变化；（d-g）典型染料溶液（罗丹明6G、亚甲基蓝、曙红Y、甲基橙）处理前后的浓度变化；（h） PDEAAm/PANI@QCMCS水凝胶的净化机理示意图。

图4 自然日光驱动的净水体系：（a）具有实时监测功能的太阳能驱动净化体系；（b）PDEAAm/PANI@QCMCS水凝胶在锦江（中国成都）水面漂浮吸水2小时；（c）红外热像仪显示的水凝胶表面温度分布；（d）太阳能自组装净化系统示意图；（e）自然光照下从水凝胶收集的净化水样；（f）不同日照时间下水凝胶表面温度变化；（g）净化过程中水凝胶的电导率变化曲线；（h-j）锦江取样水（中国成都）与水凝胶净化水样的光学图像对比；（k）净化前后锦江水电导率变化。

此外，金勇教授团队长期围绕水凝胶、离子凝胶、聚氨酯等基材开发各种性能和多种特殊功能材料（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）。

该研究成果以题为“Solar-driven electroconductive multifunctional hydrogel with reversible phase transition for water purifying and on-the-fly monitoring purification”在《Nano Energy》上发表，第一作者为四川大学轻工科学与工程学院博士生梅江洋，金勇教授为本论文的通讯作者。该项研究也得到了国家自然科学基金及四川省科技支撑计划等项目的资助。