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  盡管目前光熱響應(yīng)材料取得了一定的進(jìn)步，但利用太陽能驅(qū)動(dòng)的相變誘導(dǎo)水凝膠進(jìn)行廢水凈化的研究受到其層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致穩(wěn)定性有限和集水率低等因素的制約。為了解決這些問題，四川大學(xué)金勇教授團(tuán)隊(duì)采用了一種受生雞蛋結(jié)構(gòu)啟發(fā)的逐步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）、N,N-二乙基丙烯酰胺（DEAAm）、羧甲基殼聚糖（CMCS）和改性石墨烯氧化物（mGO）制備了球形夾層水凝膠（SSH），該水凝膠具有三層結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)可逆相變誘導(dǎo)的水凈化。得益于SSH水凝膠中多層球形夾層結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部豐富的多功能基團(tuán)作為吸附位點(diǎn)，該水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的抗污染、殺菌和凈化性能，能夠有效處理受到微塑料、微生物、油類、金屬和染料污染的廢水。通過調(diào)控各層的下臨界溶液溫度（LCST），太陽能驅(qū)動(dòng)的SSH能夠通過從內(nèi)層到外層的逐步凈化高效去除雜質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的淡水生產(chǎn)，其最高產(chǎn)率在一個(gè)太陽光下可達(dá)28.07 kg m^?2 h^?1。此外，具有蛋殼狀結(jié)構(gòu)的太陽能驅(qū)動(dòng)SSH水凝膠在增強(qiáng)機(jī)械性能和抗破壞性方面也具有額外優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)多次高效重復(fù)使用。因此，本研究提出了一種有效的逐步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，為未來便捷制備的太陽能驅(qū)動(dòng)水凈化器的發(fā)展提供了新的思路。

  在這項(xiàng)工作中，他們?cè)O(shè)計(jì)了分層水凝膠（球形夾層水凝膠，SSH），通過逐步原則整合了熱響應(yīng)、抗污染、抗菌和優(yōu)異的凈化性能，以應(yīng)對(duì)各種污染源。鑒于單一結(jié)構(gòu)水凝膠在廢水凈化中的效果有限，從生雞蛋的分層結(jié)構(gòu)中獲得靈感，以增強(qiáng)球形夾層水凝膠（SSH）的性能。

圖1. SSH水凝膠凈水示意圖

圖2. 光觸發(fā)釋水性能。(a)具有不同層的水凝膠的UV-vis-NIR吸收光譜。(b)不同層數(shù)水凝膠的表面溫度隨著暴露時(shí)間的增加而增加。(c)具有不同層的溶脹的SSH的DSC熱分析圖。(d，f)吸水后在43℃加熱前后SSH水凝膠的水滲出行為的圖像。(e)完全吸水(左)和釋放水后(右)的SSH水凝膠的形狀。(g，i)通過紅外照相機(jī)測(cè)量SSH水凝膠的表面溫度。(h)36℃下SSH水凝膠上的水接觸角(WCA), (j)不同溫度下SSH水凝膠的水釋放行為和(k)水收集速率。(l)在25℃下完全吸水的SSH水凝膠的水釋放動(dòng)力學(xué)。

圖3. SSH 廢水修復(fù)評(píng)估。(a) SSH 水凝膠處理前后微塑性溶液的光學(xué)顯微鏡圖像。(b) SSH 水凝膠處理前后混合廢水溶液（油菜籽-微塑性溶液）的光學(xué)顯微鏡和接觸角 (CA) 圖像（中間）。(c) SSH 水凝膠對(duì)R6G 的吸附行為。(d) SSH 處理 R6G 溶液的擬一級(jí)和 (e) 擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。(f) SSH 水凝膠處理前后不同離子廢水濃度變化。(g) SSH 水凝膠處理一次和兩次前后不同種類重離子溶液濃度變化。(h) SSH 水凝膠處理前后不同水源廢水（湖 1：興隆湖、湖 2：東湖和錦江）的電導(dǎo)率。(i) SSH 水凝膠的凈化機(jī)理。

  該研究成果以題為“Solar-driven spherical sandwiched hydrogel with reversible phase transition-induced egg-structure for highly efficient and stable water harvesting and purifying”在《Chemical Engineering Journal》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(guó)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

  下載：Solar-driven spherical sandwiched hydrogel with reversible phase transition-induced egg-structure for highly efficient and stable water harvesting and purifying