湖北大学郭志光教授和杨付超教授ACS Applied Materials & Interfaces：受贻贝启发的坚固的牡丹状Cu₃(PO₄)₂复合可切换超疏水表面，用于双向高效油/水分离

引用格式：

Jiang X, Liu B, Zeng Q, et al. Mussel-inspired robust peony-like Cu3 (PO4) 2 composite switchable superhydrophobic surfaces for bidirectional efficient oil/water separation[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, 15(10): 13700-13710.

为了减轻工业含油废水排放对经济和环境造成的破坏，应用于油水高效分离的材料受到了研究人员和工程师的极大关注。其中，用于油水分离的可切换润湿性材料显示出巨大的应用潜力。受贻贝的启发，我们利用简单的浸泡方法在牡丹状的磷酸铜表面构建聚多巴胺（PDA）涂层。然后，将TiO₂沉积在PDA涂层表面，构建微纳层次结构，并用十八烷硫醇（ODT）对其进行修饰，得到可切换的可湿性牡丹状超疏水表面。对多种稠油/水混合物进行10次分离后，所得超疏水表面的水接触角达到153.5°，分离效率高达99.84%，通量大于15100 L/（m²·h）。值得注意的是，改性膜具有独特的光响应性，在紫外线照射下转化为超亲水性，对各种轻油/水混合物进行10次分离后，分离效率高达99.83%，分离通量大于32,200 L/（m²·h）。更重要的是，这种开关行为是可逆的，加热后可以恢复高疏水性，实现重油/水混合物的高效分离。此外，制备的膜在酸碱条件下和经过30次砂纸磨损后仍能保持较高的疏水性，并且在ODT溶液中进行短暂改性后可以恢复到超疏水性。这种制备简单，易于修复，具有可切换润湿性的坚固膜在油水分离领域显示出巨大的潜力。

图1. 贻贝启发光响应CM的制备原理图。

图2. (a)原始CM，(b,c)Cu₃(PO₄) ₂CM, (d−f) PDA@TiO₂@Cu₃(PO₄) ₂CM的SEM图像。

图3. (a)不同样品的XPS光谱；(b−e) PDA@TiO₂@Cu₃(PO₄)₂ CM的C 1s、O 1s、N 1s和Ti 2p的高分辨光谱；(f) ODT@PDA@TiO₂@Cu₃(PO₄)₂ CM的S 2p高分辨率谱；(g) Cu₃(PO₄) ₂CM的XRD谱图；(h)不同样品的FTIR光谱。

图4. ODT@PDA@TiO₂@Cu₃(PO₄) 2CM对(a) 1,2-二氯乙烷、(b)二氯甲烷、(c)三氯甲烷和(d)四氯化碳的重油/水混合物在10个分离循环中的分离效率。

图5. (a)紫外线照射和加热循环处理ODT@PDA@TiO₂@Cu₃(PO₄) ₂CM润湿性的可逆切换。ODT@PDA@TiO₂@Cu₃(PO₄)₂ CM在10次分离循环中转化为超亲水性，分别为(b)正己烷、(c)异辛烷和(d)甲苯。(e) ODT@PDA@TiO₂@Cu₃(PO₄)₂ CM在不同稠油/水混合物的10个分离循环中加热回疏水的分离效率。

图6. 不同(a)稠油/水混合物和(b)轻油/水混合物制备膜的分离效率和相应通量。(c)不同油水分离膜的性能比较。

图7. 油水分离过程的润湿模型。(a和b)当θ < 90°时，油(a)和水(b)能穿透膜。(c)油不能穿透被水预湿的水下（超级）疏油膜。(d)当θ大于90°时，水不能穿透膜。

总结与展望

本研究通过非常简单的浸泡法制备了类似牡丹的Cu₃(PO₄)₂形态，并利用多巴胺的强粘附性构建了智能稳定的多尺度微纳复合材料结构。然后，利用长链烷基硫醇修饰膜制备贻贝启发光响应膜，用于高效分离油水混合物。由于独特的光响应，制备的ODT@PDA@TiO₂@Cu₃(PO₄) ₂CM的润湿性可以在紫外光或加热条件下实现从超疏水到超亲水的可逆转化。由于这一特点，我们实现了多种油水混合物的双向分离，具有高通量和高效率。即使经过10个单独的循环，通量和效率仍然保持在非常高的水平。其中，重油和轻油的分离效率高达99.83%，油通量>15,100 L/(m²·h)，水通量>32,200 L/（m²·h）。此外，疏水性ODT@ PDA@TiO₂@Cu₃(PO₄) ₂CM还表现出优异的耐腐蚀性和耐磨性，且平均为强酸或强碱液滴，经过30次磨损循环后，略有变化的膜只需要通过ODT进行短暂修饰即可恢复到超疏水性。该膜结构坚固、易修复、制备简单，为今后处理油水污染提供了一些启示。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c21151

相应的成果以“Mussel-Inspired Robust Peony-like Cu₃(PO₄)₂ Composite Switchable Superhydrophobic Surfaces for Bidirectional Efficient Oil/Water Separation”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，文章的通讯作者为湖北大学杨付超教授。

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图文来源：石兵红

责任编辑：贾洋洋

审核：何强、许渊

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