乙二醛介导的共价交联稳定水凝胶用于太阳能驱动水蒸气生成
乙二醛介导的共价交联稳定水凝胶用于太阳能驱动水蒸气生成
随着全球水资源短缺问题日益严重，海水淡化技术成为解决这一问题的重要途径。近日，一篇发表在《Advanced Sustainable Systems》期刊上的研究论文，提出了一种通过乙二醛介导的共价交联来稳定半互穿海藻酸钠/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)水凝胶的新方法，为太阳能驱动水蒸气生成提供了新的解决方案。
生物水凝胶的化学和物理稳定性是避免聚合物过早降解和有利于材料循环使用（即材料回收和再利用）的关键。在这项研究中，研究人员考察了与作为光热吸收剂的聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐导电聚合物（Alg/PEDOT）半互穿的不同海藻酸盐水凝胶的稳定性。具体而言，比较了分别与 Ca2+ 离子和乙二醛离子交联的 Alg/PEDOT 水凝胶在用作水净化平台时的行为。
研究表明，与离子稳定凝胶相比，乙二醛交联凝胶具有均匀的孔隙率和更高的循环能力，可在阳光照射下产生水蒸气。此外，事实证明，增加乙二醛交联反应时间对孔隙率和从人工海水溶液中提供淡水的能力影响很小。共价交联提供了热吸收剂（PEDOT:PSS）在人工海水中的保留能力，这对随着纯化循环次数的增加而保持这种能力至关重要。
研究结果表明，乙二醛介导的共价交联为含 PEDOT 的海藻酸盐水凝胶在阳光照射下产生水蒸气的循环能力提供了卓越的稳定性，从而使水凝胶相互渗透。这种短交联剂适用于预制的 Alg/PEDOT 水凝胶，可避免水凝胶浸入合成海水中时 PEDOT 质量的损失，从而保持导电聚合物的光热活性，这对设想的应用至关重要。
虽然乙二醛化对第一个蒸发周期的参数仅有微小的改善，但在六个蒸发周期后观察到的 ER 值和蒸发效率值，G5m/Alg/PEDOT 和 G2h/Alg/PEDOT 明显优于未处理的 Alg/PEDOT。更具体地说，G2h/Alg/PEDOT 的水净化能力（取决于乙二醛化反应时间）仅降低了 12%，而 Alg/PEDOT 则降低了 4.6 倍。
总之，天然丰富的多糖（如 Alg）与生物相容性乙二醛共价交联后，可以形成高效、可持续且成本低廉的三维太阳能脱盐平台，在严重缺水时期净化海水。未来的研究将致力于以控制的方式增加藻基水凝胶的孔径，以应用于海水净化。由于孔径在这种特殊应用中起着关键作用，而且长链脂肪族二酐的毒性众所周知，因此研究人员将重点研究生物可控的二脱水外来聚糖作为一种替代品。
图 4：a)Alg/PEDOT、b)G5m/Alg/PEDOT 和 c)G2h/Alg/PEDOT 的代表性 SEM 显微照片
图 5：(a)Alg/PEDOT 离子稳定水凝胶、(b)G5m/Alg/PEDOT 和(c)G2h/Alg/PEDOT 共价交联水凝胶的孔结构厚度分布（左）、孔结构分离分布（中）和显微 CT 获得的代表性三维图像（右）
图 6：a)离子稳定的 Alg 水凝胶、b)G5m/Alg 和 c)G2h/Alg 共价交联水凝胶的孔结构厚度分布（左）、孔结构分离分布（中）和显微 CT 获得的代表性三维图像（右）。
图 7.a,b)在 Alg/PEDOT、G5m/Alg/PEDOT 和 G2h/Alg/PEDOT 的(a)第一个和(b)第二个蒸发周期中，质量（Δm）随太阳光照射时间的变化
图 8：a)制备的 Alg/PEDOT（未交联）、G5m/Alg/PEDOT 和 G2h/Alg/PEDOT 水凝胶的数码照片；b)六个蒸发周期后的数码照片，显示凝胶在不含大量水的情况下的收缩情况
图 9：a)Alg 和 Alg/PEDOT；b)G5m/Alg 和 G5m/Alg/PEDOT；以及 c) G2h/Alg 和 G2h/Alg/PEDOT 在 250 至 2500 纳米波长范围内的紫外-可见-近红外吸收光谱
图 10.a)无 PEDOT 水凝胶和含 PEDOT 水凝胶在 1 太阳光下温度随辐照时间增加的变化
图 11：a)含 PEDOT 和不含 PEDOT 水凝胶的蒸发率（ER）变化；b)未交联 Alg/PEDOT、交联 G5m/Alg/PEDOT 和 G2h/Alg/PEDOT 样品的太阳能蒸发率()随蒸发循环次数的变化
这项研究为促进海藻酸盐生物聚合物在海水淡化等化学工程过程中的应用开辟了新的领域，直接实现了联合国关于陆地清洁水和生命的可持续发展目标。
论文信息：
Stabilizing Semi-Interpenetrated Alginate/Pedot Hydrogels via Glyoxal-Mediated Covalent Crosslinks for Water Steam Generation
Advanced Sustainable Systems (IF=6.5)
Pub Date : 2024-09-20
DOI: 10.1002/adsu.202401005