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  近期，四川大學(xué)金勇教授團(tuán)隊(duì)合成了一種新型太陽能驅(qū)動(dòng)的異質(zhì)結(jié)水凝膠（PRTZ），通過結(jié)合光催化降解與可逆相變誘導(dǎo)的水釋放機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高效廢水凈化和淡水生成。PRTZ水凝膠由還原氧化石墨烯（RGO）、二氧化鈦（TiO₂）和硫化鋅（ZnS）組成的異質(zhì)結(jié)催化劑（RTZ）嵌入具有低臨界溶解溫度（LCST）特性的聚（N,N-二乙基丙烯酰胺）（PDEAAm）三維網(wǎng)絡(luò)中制成。實(shí)驗(yàn)表明，PRTZ水凝膠在0.8太陽光照下可實(shí)現(xiàn)96.09%的污染物去除效率和8.87 kg·m^-2·h^-1的淡水收集速率，同時(shí)具有100%的抗菌活性。這種多模態(tài)機(jī)制為可持續(xù)清潔水生產(chǎn)提供了創(chuàng)新解決方案。

  全球淡水資源短缺和水污染問題日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的水處理技術(shù)如太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)和光催化降解存在效率低、能耗高或二次污染等問題。近年來，基于相變誘導(dǎo)水釋放的被動(dòng)式太陽能驅(qū)動(dòng)水凝膠因其高效能源利用和低能耗特性受到廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有水凝膠在復(fù)雜環(huán)境下吸附容量有限、穩(wěn)定性不足，且難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效污染物降解。為此，本研究設(shè)計(jì)了一種新型異質(zhì)結(jié)水凝膠（PRTZ），通過整合光催化和相變水釋放機(jī)制，顯著提升了水處理效率。

  合成PRTZ：PRTZ水凝膠的制備過程如圖1所示。首先，通過水熱還原和原位限域生長法合成RTZ異質(zhì)結(jié)催化劑（RGO-TiO₂-ZnS），隨后將其與PDEAAm單體通過自由基聚合法結(jié)合，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠。RTZ催化劑中的RGO作為電子傳導(dǎo)基質(zhì)，TiO₂和ZnS形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，有效抑制電子-空穴復(fù)合，提升光催化活性。同時(shí)，PDEAAm的LCST特性（約36°C）使得水凝膠在光照下發(fā)生親水-疏水相變，實(shí)現(xiàn)水的快速釋放。

  光催化與凈水性能：PRTZ水凝膠在0.8太陽光照下對亞甲基藍(lán)、伊紅Y和吉姆薩染料的降解效率分別達(dá)到98.89%、99.19%和97.93%。電子自旋共振（ESR）測試證實(shí)，光照下PRTZ產(chǎn)生大量羥基自由基（·OH）和超氧自由基（·O₂^-），這些活性物種是污染物降解的關(guān)鍵。此外，水凝膠的相變特性使其能夠通過體積收縮釋放凈水，避免了傳統(tǒng)蒸發(fā)技術(shù)的高能耗問題。在0.8太陽光照下，PRTZ的淡水收集速率達(dá)8.87 kg·m^-2·h^-1，結(jié)合外加電壓（6 V）后可進(jìn)一步提升至24.2 kg·m^-2·h^-1。

  抗菌性能與實(shí)際應(yīng)用：PRTZ水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率均為100%。通過實(shí)際河水凈化實(shí)驗(yàn)，PRTZ處理后水的電阻值從0.57 MΩ提升至1.28 MΩ，微生物數(shù)量顯著減少，證實(shí)了其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。

  本研究成功開發(fā)了一種兼具光催化和相變水釋放功能的PRTZ異質(zhì)結(jié)水凝膠，其高效、低能耗的特性為廢水處理和淡水生產(chǎn)提供了創(chuàng)新解決方案。未來研究可進(jìn)一步優(yōu)化材料穩(wěn)定性并探索規(guī)模化應(yīng)用路徑，以應(yīng)對全球水資源短缺挑戰(zhàn)。

圖1. PRTZ水凝膠的合成示意圖及其廢水凈化機(jī)制

圖2. PRTZ水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)表征

  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“A solar-driven heterojunction hydrogel withreversible phase transition for efficientphotocatalytic decontamination and freshwatergeneration”在《Journal of Materials Chemistry A》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/10.1039/d5ta01079a

  下載：A solar-driven heterojunction hydrogel withreversible phase transition for efficientphotocatalytic decontamination and freshwatergeneration