阿尔伯塔大学曾宏波教授团队《AFM》，层级结构“三重防御”防污涂层助力高效废水处理

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-17 07:50

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受海洋生物系统的防污策略启发，许多研究人员通过将亲水基团整合到膜材料表面，利用其表面水合形成的水合层物理屏障来阻止污染物的吸附。然而，在实际应用中，污染物可能会通过静电作用或氢键等相互作用力穿透水合层，并在涂层表面累积，导致亲水涂层失去其防污功能。因此，开发具有增强功能的亲水涂层以提升其防污性能显得尤为重要。受鲨鱼皮肤的超亲水“鳞片层”和低表面能的“粘液层”启发，如图1所示，阿尔伯塔大学的曾宏波教授团队开发了一种层级结构复合纳米涂层，底层由亲水催化纳米颗粒（ANPs）组成，并在其顶层覆盖疏水全氟硅烷纳米区域（F@ANPs），同步实现了抗污染物吸附、促进污染物脱附和加速污染物降解的“三重防御”功能。

图1：F@NPs涂层的构筑策略

根据Q-CMD动态污染物吸附实验，污染物-涂层间表面力测试，以及表面污染过程的分子动力学模拟的结果表面，通过在ANPs涂层表面引入纳米尺度分散的低表面能全氟硅烷区域，可在保持F@ANPs涂层亲水性的同时，显著降低污染物在涂层表面的粘附力及吸附能（图2），有效抑制了污染物在近涂层表面区域的积聚。

图2：F@NPs涂层的防污机理研究

随后，通过利用光热红外光谱仪（O-PTIR）进行的宏观表面污染实验表明了所制备的F@NPs涂层可有效地防止油污、多种蛋白质和生物流质在F@ANPs涂层表面附着（图3），证明了其优异且普适的表面防污性能。并且F@NPs涂层还具备独特的催化自清洁防污性能，能通过利用Ag、TiO₂或MnO₂纳米颗粒的催化作用，以超过0.2/min的速率快速降解多种有机污染物并杀灭细菌。

图3：多种污染物在F@ANPs等涂层表面的宏观表面污染实验结果

F@NPs涂层可进一步对PVDF膜材料进行表面改性，并应用于油水分离膜的研究。研究表明，通过这种改性，所制备的膜材料保留了其多孔结构，同时表现出良好的亲水性和出色的抗油污粘附性能。如图4所示，在油/水乳液分离实验中，该膜材料显示出非常高的水通量（超过4200 L m−2 h−1 bar−1）以及超过95%的水通量恢复比，说明其具有优异的自清洁特性。此外，膜材料在循环油水乳液分离测试和极端溶液环境中也维持了良好的结构稳定性，显示了其在实际应用中的潜力。

图4：F@NPs功能化膜的油水乳液分离性能及抗油污性能

该工作以《Hierarchically Engineered Triple-Defensive Antifouling Coating with Well-Regulated Structure for Enhanced Wastewater Treatment》为题，发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。阿尔伯塔大学的曾宏波教授、郑州大学张凌副教授、中国石油大学（北京）龚露教授为本文的共同通讯作者，杨闻帅副研究员为本文的第一作者。

来源：高分子科学前沿

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