【文章概述】

不断发展的工业化和人类活动导致了水质的严重恶化，许多水源受到有害污染物的污染对水生生物和人类健康造成严重威胁。水污染和淡水短缺已经成为全球亟须解决的重要问题。因此，人们致力于水修复技术的开发。为此研究了许多功能化材料，但是，这些材料的效率不足和潜在的污染问题同时阻碍该系统的长期使用和重复使用。近年来，催化反应和分离过程在单一系统中的耦合已经引起了研究人员的极大关注，而渗透通量和催化效率是两个关键因素，因此低能耗、环保的情况下同时实现高催化效率和高水通量，开发多孔结构合适、催化效率高、传质良好、抗生物污染的催化反应器已成为迫切的研究课题。

【成果简介】

中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员团队在天然树木的独特结构及水运输和蒸腾作用的启发下，通过仿生学研究出一种基于超长羟基磷灰石纳米线仿生气凝胶的制备方法。该材料具有垂直排列的通道和多种功能，具有优异的可回收性和稳定性，在细菌去除和抗生物污垢方面也表现出优异的性能，可用于连续流动催化、水消毒、太阳能驱动的水净化和海水淡化。多功能仿生气凝胶在催化反应、废水修复和环境工程中具有广阔的应用前景。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待！

【图文导图】

图1垂直排列通道的树形仿生CS/HAP@Pd气凝胶的制备及其多种功能。

（a） 仿生CS制造方法示意图/HAP@Pd具有垂直排列结构的气凝胶。

（b） 天然树木的水分传输和蒸腾行为。

（c）CS/HAP@Pd仿生气凝胶在重力驱动连续流催化和水消毒方面的多种功能示意图。

（d） 太阳能驱动蒸汽发电和水净化示意图

图2 HAP@Pd NWs和仿生CS/HAP@Pd气凝胶的形貌表征和压痕试验。

（a,b）HAP@Pd NWs的TEM显微图，b)中插入的是Pd NPs的粒径分布。

（c） HAP@Pd NWs的Ca、P、Pd元素映射。

（d-g）CS/HAP@Pd气凝胶横向表面(d f)和垂直截面(g)的扫描电镜照片。

（h）不同形状CS/HAP@ Pd气凝胶的数字图像。

（i）重量为200g的垂直和侧面压下试验，左下角插图显示CS/HAP@Pd气凝胶压下试验后保持整体结构。

图3 不同CS/HAP重量比的CS/HAP@Pd气凝胶样品和对照样品的表征和性能。

（a）不同气凝胶产品的红外光谱。

（b）不同气凝胶产品的氮气吸附解吸等温线。

（c）不同气凝胶产品的压应力应变曲线。

（d）不同气凝胶样品在重力作用下的水通量。

图4利用仿生CS/HAP@Pd气凝胶进行重力驱动连续流催化降解MB的性能研究。

（a）测试设备的数字图像。

（b） CS/HAP@Pd气凝胶连续流催化降解含MB和NaBH4的水溶液前后的紫外可见吸收光谱。

（c）MB+NaBH4水溶液通过CS/HAP@Pd气凝胶不同流动时间后，MB在过滤后水溶液中的残留浓度及相应的MB催化效率。

（d）不同浓度MB+NaBH4水溶液的催化效率。

（e）不同Pd NPs含量CS/HAP@Pd气凝胶对MB+NaBH4水溶液的催化效率。

（f）不同流速下MB+NaBH4水溶液的催化效率和相应的水通量。

（g）在相同Pd NPs含量下，CS/HAP@Pd(1:1)、CS/HAP@Pd(1:2)和CS/HAP@Pd(1:4)气凝胶样品对MB+NaBH4水溶液的催化效率对比分析。

（h）MB+NaBH4水溶液每循环300 mL循环回收10次的催化效率。

（i）MB+NaBH4水溶液运行10h的催化效率及处理后溶液的相应体积。

图5CS/HAP@Pd仿生气凝胶的水消毒及抗生物污染性能。

（a） CS/HAP@Pd气凝胶处理前后与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌悬浮液培养的固体营养琼脂平板的数字图像。

（b）大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的去除效率。

（c）在不(对照)或使用CS/HAP@Pd气凝胶或HAP@Pd气凝胶的不同孵育时间收集的细菌(大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)悬液600 nm处测得的OD值。

（d） CS/HAP@Pd气凝胶或HAP@Pd气凝胶与细菌(大肠杆菌或金黄色葡萄球菌)悬浮液培养3天后的扫描电镜照片。

（e）采集水样的两条当地河流的数字图像;

CS/HAP@Pd气凝胶处理前后与水样培养的固体营养琼脂平板的数字图像。

（f）两个河流水样的细菌去除效率。

图6 CS/HAP@Pd仿生气凝胶在太阳能驱动蒸汽产生、水净化和海水淡化中的性能。

（a）基于CS/HAP@Pd气凝胶的太阳能驱动蒸汽生成示意图。

（b） CS/HAP@ Pd气凝胶和CS/HAP气凝胶在无光照和单光照条件下20min的红外热像图。

（c）在同一个太阳光照下，对比纯水，CS/HAP气凝胶，CS/HAP@Pd气凝胶的纯水的质量随太阳光照时间的变化情况。

（d）含有结晶紫(CV)、刚果红(CR)和NaBH4的水溶液处理前和太阳能驱动净化后收集的凝结水的紫外可见吸收光谱及其数字图像。

（e）含大肠杆菌或金黄色葡萄球菌的水悬浮液在太阳能驱动净化前后的细菌浓度。

（f）实际海水样品中五种主要离子的浓度以及太阳能驱动脱盐后的浓缩净水。

【奇材馆点评】

一直以来，气凝胶都是科学家研究的重点材料，超轻、高孔隙率和多孔网络结构的性能使得气凝胶在诸多领域有很好的应用。仿生学是一门神奇的学科，利用天然树木的有序排列垂直孔道结构开发的多功能仿生气凝胶具有类似于树干内部有序平行排列的孔道结构，还具有连通的蜂窝结构、羟基磷灰石超长纳米线交织形成的网络孔壁和均匀分布的钯催化剂纳米颗粒，具有吸附性能好、流动阻力低、水输送畅通快速等优势。仿生有序排列垂直孔道结构气凝胶在催化反应、废水处理、海水淡化和环境工程等多个领域中具有良好的应用前景。

【论文信息】

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