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  由于在石油、采礦和食品工業(yè)中有大量的含油廢水被排放到環(huán)境中，高效、低成本且可連續(xù)使用的油水分離材料的研發(fā)迫在眉睫。近年來，受到荷葉表面自清潔特性的啟發(fā)，具有特殊濕潤性的仿生材料，例如超疏水/超親油型材料成為了研究的熱點(diǎn)。迄今為止，大量制備超濕潤性材料的方法已被提出并廣泛應(yīng)用到油水分離領(lǐng)域，但同時(shí)具有制備簡單、可大規(guī)模生產(chǎn)、成本低和能耗小的方法仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

  近日，美國德州A&M大學(xué)方磊教授和Banerjee教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于四腳針狀氧化鋅（T-ZnO）和聚丙烯酸酯類的簡易可大規(guī)模制備的超疏水/超親油涂層。T-ZnO在體系中起到了一石二鳥的作用：（1）在UV光照下產(chǎn)生空穴，引發(fā)單體的自由基聚合從而形成低表面能的粘結(jié)層；（2）增加表面的粗糙度從而使其具有超濕潤性。該涂層制備方法簡單，成本低廉，并且過程中無需加熱，因此很容易大規(guī)模生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)室中已展示制備30×60 cm的樣品，但理論上其一次性制備的尺寸可以大得多。該方法的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是其可應(yīng)用在不耐熱的基材上（例如聚乙烯和聚乳酸）來構(gòu)建超疏水表面。

圖1. T-ZnO引發(fā)光聚合制備T-ZnO/PMA復(fù)合涂層

  將T-ZnO噴涂的基材浸泡在單體的醇溶液中，同時(shí)進(jìn)行UV（365 nm）光照，洗掉單體并干燥后可制得T-ZnO/聚甲基丙烯酸酯類復(fù)合涂層。具有較長烷基側(cè)鏈的聚甲基丙烯酸十二烷基酯（PLMA）擁有較低的表面能，而T-ZnO減小了固體表面和液滴的接觸面積，共同作用使得噴涂的鐵網(wǎng)表面變得超疏水（接觸角155.1°，滾動(dòng)角8°）。當(dāng)PLMA含量超過總重量的40%時(shí)，表面粗糙度減小從而導(dǎo)致表面疏水性減弱。T-ZnO/PLMA-40涂層覆蓋的鐵網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)重力驅(qū)動(dòng)下非互溶高/低表面能液體的高效分離（閾值~35 mN m^-1）。以十六烷/水混合物為例，在40次分離后鐵網(wǎng)仍可保持超過99%的分離效率和41400 Lm^-2h^-1的滲透流速。此外，作者還將涂層運(yùn)用到定量濾紙表面以高效分離乳化劑穩(wěn)定的油水乳液。

圖2. T-ZnO/PLMA-40鐵網(wǎng)用于液/液分離：(a)-(c) 三種非互溶液體的分離；(d) 水的突破壓力；(e) 不同液/液混合物的分離效率；(f) 十六烷/水的循環(huán)分離效率；(g) 流速

圖3. T-ZnO/PLMA定量濾紙: (a), (b) SEM圖片；(c) 用于分離油水乳液；(d) 分離前后的DLS數(shù)據(jù)

  PLMA的存在賦予了涂層優(yōu)異的力學(xué)性能，在經(jīng)過超過100000次水滴撞擊或600次高壓（4 bar）水槍噴灑后，T-ZnO/PLMA-40鐵網(wǎng)仍舊保持了超疏水性能，并且表面結(jié)構(gòu)沒有顯著的改變。除了物理磨損，PLMA還使得涂層在極端的化學(xué)條件（強(qiáng)酸，強(qiáng)堿，高溫）下保持了超過150°的接觸角，從而讓其可在上述嚴(yán)苛條件下進(jìn)行液/液分離。

圖4. T-ZnO/PLMA-40鐵網(wǎng)的接觸角隨外界影響的變化：(a) 高壓水槍噴涂；(b) 水滴撞擊；(c) 化學(xué)環(huán)境

  該工作為高效、低能耗、大規(guī)模制備超濕潤性材料用于非互溶液/液分離提供了嶄新思路。ZnO同時(shí)作為光引發(fā)劑和表面粗糙度的來源大大簡化了體系的復(fù)雜度。該論文以“Photopolymerized superhydrophobic hybrid coating enabled by dual-purpose tetrapodal ZnO for liquid/liquid separation”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。該論文第一作者為德州A&M大學(xué)化學(xué)系博士研究生李臣軒，方磊教授和Sarbajit Banerjee為共同通訊作者。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MH/D1MH01672E