曲良体团队合作开发兼具多效净化和超强抗污功能的光热水净化凝胶膜

baozhang

近日，清华大学化学系曲良体教授团队开发了一种多功能光热水净化凝胶膜，能够利用太阳能直接从受污染的地表水中获取清洁水蒸气，产生可饮用的淡水。该水净化策略能直接排除有机物、无机物、细菌、盐、油等对水蒸气和膜体的污染，为高效光热海水淡化等领域的发展和应用提供新思路。
        光热水净化技术以太阳能为驱动力，具有可持续、碳中和、低成本的优势，是解决全球水资源危机的重要策略之一。其净化原理主要基于热蒸馏过程，而地表水体中存在着复杂污染物，难以通过简单蒸馏的方式完全净化，残留的污染物被饮用后会严重损害人体健康。同时，复杂污染水体会造成膜体的污染，影响其功能稳定与应用。

        该研究基于鱼鳞启发的表面结构设计并通过高密度的聚合物网络调控，开发了石墨烯/海藻酸凝胶膜（GAH）。该膜由氧化石墨烯/海藻酸钠混合分散液经成膜、多次离子交联、化学还原及激光直写表面结构获得。
        通过多次交联循环制备工艺，GAH具有致密的聚合物分子链网络，其内部水分子以结合态存在，通过结合态水扩散形式实现水的净化，有效阻止污染物到达蒸发界面；同时，GAH致密聚合物分子网络上的含氧官能团会在吸水状态下发生可逆解离，在膜内部形成高渗透压，阻止污水中盐离子进入，进而实现高选择性水净化，防止长时间蒸发过程中的结盐问题。
         通过激光直写制备工艺，GAH具有类似鱼鳞的微纳表面结构，其局域几何结构吸光能力增强，并具有水下防油污能力及纳米片表面灭菌能力。
最终，GAH能拦截>99.5%常规挥发性有机物和100%非挥发性有机物，抑制100%的细菌，排除>99.3%的离子（如，Na+、Mg2+、K+、Ca2+），实现高选择性净化。GAH能在3.6wt%的海水中实现>94.9%的阻盐率，使表面近100%的细菌失活，并能与各类油性有机溶剂形成>140°的水下接触角，实现多效防污功能。
相关研究成果近期以“具有高传输选择性和防污能力的多功能太阳能水收集器”（Multifunctional solar water harvester with high transport selectivity and fouling rejection capacity）为题，发表于《自然·水》（Nature Water）期刊。
        论文第一作者为清华大学化学系博士生郝轩章，通讯作者为清华大学教授曲良体、助理研究员程虎虎以及瑞典斯德哥尔摩大学教授袁家寅。该研究依托于清华大学有机光电子与分子工程教育部重点实验室、摩擦学国家重点实验室开展，获得了国家自然科学基金委、清华-佛山先进制造研究院等的支持。
       论文链接：https://www.nature.com/articles/s44221-023-00152-y
       文章来源：清华大学
          曲良体，清华大学教授、博士生导师、长江学者特聘教授，围绕功能结构与材料制备、先进能源器件、激光微纳制造等方面开展研究，在Science, Nature Nanotechnology, Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society等国际重要期刊发表SCI论文200多篇，论文他引近万次，单篇论文最高他引1600余次。受邀请在Nature Reviews Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews等撰写综述论文20余篇，英文专著6章，国际国内发明专利20余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。20篇论文入选ESI高被引论文(Web of Science)。主持科技部重点研发计划、国家基金委项目等多项。