近期,四川大学金勇教授团队合成了一种新型太阳能驱动的异质结水凝胶(PRTZ),通过结合光催化降解与可逆相变诱导的水释放机制,实现了高效废水净化和淡水生成。PRTZ水凝胶由还原氧化石墨烯(RGO)、二氧化钛(TiO2)和硫化锌(ZnS)组成的异质结催化剂(RTZ)嵌入具有低临界溶解温度(LCST)特性的聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)(PDEAAm)三维网络中制成。实验表明,PRTZ水凝胶在0.8太阳光照下可实现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,同时具有100%的抗菌活性。这种多模态机制为可持续清洁水生产提供了创新解决方案。
全球淡水资源短缺和水污染问题日益严峻,传统的水处理技术如太阳能驱动蒸发和光催化降解存在效率低、能耗高或二次污染等问题。近年来,基于相变诱导水释放的被动式太阳能驱动水凝胶因其高效能源利用和低能耗特性受到广泛关注。然而,现有水凝胶在复杂环境下吸附容量有限、稳定性不足,且难以同时实现高效污染物降解。为此,本研究设计了一种新型异质结水凝胶(PRTZ),通过整合光催化和相变水释放机制,显著提升了水处理效率。
合成PRTZ:PRTZ水凝胶的制备过程如图1所示。首先,通过水热还原和原位限域生长法合成RTZ异质结催化剂(RGO-TiO2-ZnS),随后将其与PDEAAm单体通过自由基聚合法结合,形成具有三维网络结构的水凝胶。RTZ催化剂中的RGO作为电子传导基质,TiO2和ZnS形成异质结结构,有效抑制电子-空穴复合,提升光催化活性。同时,PDEAAm的LCST特性(约36°C)使得水凝胶在光照下发生亲水-疏水相变,实现水的快速释放。
光催化与净水性能:PRTZ水凝胶在0.8太阳光照下对亚甲基蓝、伊红Y和吉姆萨染料的降解效率分别达到98.89%、99.19%和97.93%。电子自旋共振(ESR)测试证实,光照下PRTZ产生大量羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2-),这些活性物种是污染物降解的关键。此外,水凝胶的相变特性使其能够通过体积收缩释放净水,避免了传统蒸发技术的高能耗问题。在0.8太阳光照下,PRTZ的淡水收集速率达8.87 kg·m-2·h-1,结合外加电压(6 V)后可进一步提升至24.2 kg·m-2·h-1。
抗菌性能与实际应用:PRTZ水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率均为100%。通过实际河水净化实验,PRTZ处理后水的电阻值从0.57 MΩ提升至1.28 MΩ,微生物数量显著减少,证实了其在实际应用中的潜力。
本研究成功开发了一种兼具光催化和相变水释放功能的PRTZ异质结水凝胶,其高效、低能耗的特性为废水处理和淡水生产提供了创新解决方案。未来研究可进一步优化材料稳定性并探索规模化应用路径,以应对全球水资源短缺挑战。
图1. PRTZ水凝胶的合成示意图及其废水净化机制

图2. PRTZ水凝胶的微观结构表征
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“A solar-driven heterojunction hydrogel withreversible phase transition for efficientphotocatalytic decontamination and freshwatergeneration”在《Journal of Materials Chemistry A》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。
原文链接:https://doi.org/10.1039/d5ta01079a
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