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  全球變暖與水資源短缺危機下，傳統水處理技術（如膜過濾、熱蒸餾）因高能耗、基建復雜難以滿足農村/災區需求。太陽能驅動水凝膠技術因其零碳排、低成本優勢成為研究熱點，但現有技術仍面臨三大瓶頸：①界面蒸發系統能效不足；②大氣集水技術依賴環境濕度；③缺乏凈化過程實時監測功能。如何通過材料創新實現高效凈化與智能監測一體化，成為該領域重大挑戰。

  為此，四川大學金勇教授團隊通過優化網絡結構和調控光熱轉化模塊，提出太陽能驅動-相變轉換-動態監測"三元協同策略，設計出聚苯胺（PANI）交聯季銨化羧甲基殼聚糖（QCMCS）/聚（N,N-二乙基丙烯酰胺）（PDEAAm）互鎖網絡水凝膠。該導電水凝膠采用聚苯胺（PANI）交聯季銨化羧甲基殼聚糖（QCMCS）與聚（N,N-二乙基丙烯酰胺）（PDEAAm）網絡復合，通過氫鍵和靜電相互作用形成獨特的互鎖網絡結構，展現出顯著的增韌效應（80%應變下171 kPa）。該水凝膠利用PANI卓越的光熱轉換效率與導電性，結合QCMCS的抗菌特性（對大腸桿菌/金黃色葡萄球菌有效），通過分子設計克服了PANI本征絕緣性等問題。當少量PANI摻雜QCMCS與溫敏性PDEAAm復合時，不僅形成定向導電通路實現金屬離子實時監測，其協同抗菌效應、PDEAAm的LCST疏水轉變特性、多網絡豐富官能團等優勢更使水凝膠展現出：①機械性能與循環穩定性提升；②基于溫度/金屬離子響應的連續定向電流傳導；③通過吸附與粒徑抑制實現多污染物凈化。得益于PANI@QCMCS復合材料的多元特性，PDEAAm/PANI@QCMCS導電凈化器兼具優異防污、殺菌（R=100%）和凈化性能（收集率19.17 kg m^-2 h^-1），可高效去除微塑料、微生物、油污、重金屬和染料（去除率>97%）。更具突破性的是，該水凝膠憑借柔性非金屬PANI@QCMCS電極，能通過電流變化靈敏感知不同濃度/類型的污水，可作為便攜式凈化器-計算機接口實現交互式實時監測。這項研究為太陽能凈水技術提供了全新思路，有望從根本上改變人類日常用水方式。

圖1 光熱水凝膠的制備及其相變機制：（a） 不同組分水凝膠的制備；（b）光熱水凝膠的相變機制；（c）光熱水凝膠網絡結構的組成。

圖2 太陽能驅動釋水性能：(a) 不同組分水凝膠的紫外-可見-近紅外吸收光譜；(b) 不同組分水凝膠表面溫度隨光照時間的變化；(c, d) 初始及溶脹態水凝膠的差示掃描量熱分析；(e) 上圖：PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠吸水飽和狀態與釋水后形態對比；下圖：紅外熱成像顯示的PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠表面溫度分布；(f, g) PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠在43.6°C加熱前后的滲水行為對比；(h) 不同組分水凝膠的質量損失曲線；(i) PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠在不同溫度下的釋水行為；(j) PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠10次循環使用中的釋水效率。

圖3 PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠的污水凈化性能評估：（a） 微塑料、油污及酵母菌懸液經PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠處理前后的顯微圖像對比；（b） 不同離子污染水體經水凝膠處理前后的濃度變化；（c） 多種重金屬離子溶液經三次循環處理后的濃度變化；（d-g）典型染料溶液（羅丹明6G、亞甲基藍、曙紅Y、甲基橙）處理前后的濃度變化；（h） PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠的凈化機理示意圖。

圖4 自然日光驅動的凈水體系：（a） 具有實時監測功能的太陽能驅動凈化體系；（b）PDEAAm/PANI@QCMCS水凝膠在錦江（中國成都）水面漂浮吸水2小時；（c） 紅外熱像儀顯示的水凝膠表面溫度分布；（d）太陽能自組裝凈化系統示意圖；（e） 自然光照下從水凝膠收集的凈化水樣；（f） 不同日照時間下水凝膠表面溫度變化；（g） 凈化過程中水凝膠的電導率變化曲線；（h-j） 錦江取樣水（中國成都）與水凝膠凈化水樣的光學圖像對比；（k） 凈化前后錦江水電導率變化。

  此外，金勇教授團隊長期圍繞水凝膠、離子凝膠、聚氨酯等基材開發各種性能和多種特殊功能材料（J. Mater. Chem. A, 2025； J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 26063； J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 23916-23928；Adv. Funct. Mater. 2023, 2301921；Chemical Engineering Journal 498 (2024) 155505、Chemical Engineering Journal 456 (2023) 141082、Chemical Engineering Journal 476 (2023) 146840、Chemical Engineering Journal 438 (2022) 135596；Nano Energy 104 (2022) 107962；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 39120?39131、ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 35469?35482）。

  該研究成果以題為“Solar-driven electroconductive multifunctional hydrogel with reversible phase transition for water purifying and on-the-fly monitoring purification”在《Nano Energy》上發表，第一作者為四川大學輕工科學與工程學院博士生梅江洋，金勇教授為本論文的通訊作者。該項研究也得到了國家自然科學基金及四川省科技支撐計劃等項目的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155505