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南通大學劉慧副教授、福州大學賴躍坤教授 AFM:可控水/光雙重響應型中空水凝膠纖維驅動器實現高效脫鹽及防鹽沉積
2023-06-07  來源:高分子科技

  能夠感知、適應并與環境刺激相互作用的智能纖維驅動器有著良好的應用前景。然而,傳統的纖維制動器在對復雜環境的快速傳感和驅動依然存在著困難。此外,太陽能蒸汽冷凝法是一種很有前途的連續海水脫鹽技術。然而,隨著時間積累,蒸發裝置上會形成鹽積累,不利于穩定和可持續的水蒸汽產生,并且鹽在材料表面的積累會破壞材料的光熱轉換性能,從而降低蒸發效率。


  近期,南通大學劉慧副教授課題組與福州大學賴躍坤教授團隊合作,通過同軸濕法紡絲制備了一種中空石墨烯水凝膠纖維,再經過加捻、折疊、卷繞得到一種智能型雙螺旋纖維驅動器(RGO@HHF:還原石墨烯中空水凝膠纖維)(圖1)。基于中空結構的優異的吸水性能和石墨烯材料的高效的光熱轉換性能,該驅動器可以在水、光響應下快速實現動態自動伸長/收縮過程(圖2),最大驅動收縮率分別達到83%、78%,響應速率分別可達3.8% s-1 3.55% s-1。基于此,這種動態可逆響應運動使其可實現脫鹽工藝以及防鹽沉積,纖維驅動器首先吸收海水,在水響應下實現收縮,然后在光照下,海水蒸發,驅動器伸長繼續吸收水分,以此實現脫鹽循環工藝,在這一往復過程中,纖維驅動器表面積累的鹽分會溶解在海水中,解決了鹽沉積的問題,為實現可持續海水淡化提供了可靠的應用前景。(圖3) 


圖1:制作工藝示意圖: a) 濕紡和b) RGO@HHF的加捻工藝。c) RGO@HHF的變形機理。d)實心和中空纖維吸水時的膨脹行為。e)同手性(Z-Z, S-S扭轉)和異手性(Z-S, S-Z扭轉) RGO@HHF的響應行為示意圖。f) RGO@HHF的海水淡化應用。 


圖2a1)雙加捻RGO@SHF(實心水凝膠纖維)和RGO@HHF(中空水凝膠纖維)在水刺激下的動態收縮過程。a2)雙加捻HHF和RGO@HHF在光刺激下的動態收縮過程。b)同手性和異手性的雙加捻RGO@HHF纖維的伸長/收縮驅動示意圖。異手性(c)和同手性(d)雙加捻纖維驅動器在水和光刺激下的動態收縮和伸長過程。 


3a) 雙加捻RGO@HHF的脫鹽過程。b) 在20wt % NaCl溶液中脫鹽過程中,一個太陽光強度照射下的RGO@HHF隨時間變化的紅外圖像。c) 延時快照顯示了原始RGO@HHF纖維和d)雙加捻RGO@HHF纖維在脫鹽過程中的鹽積累。e) 20 wt% NaCl溶液中,雙加捻RGO@HHF纖維在不同光照條件下的溫度變化。f) 不同太陽光強度照射下水分隨時間的變化。g) 雙加捻RGO@HHF纖維在不同鹽濃度下的重量變化情況。h) 雙加捻RGO@HHF纖維在不同鹽濃度下的蒸發速率。i, j) 原始鹽水和收集到的冷凝蒸汽水在經過太陽熱蒸發后的離子濃度。


  該研究成果以“Programmable Water/Light Dual-Responsive Hollow Hydrogel Fiber Actuator for Efficient Desalination with Anti-Salt Accumulation”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。南通大學紡織服裝學院劉慧副教授為第一作者,福州大學石油化工學院賴躍坤教授為通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金項目的支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202302038

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(責任編輯:xu)
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