德州A&M大学方磊和Banerjee团队《Mater. Horiz.》：一石二鸟的氧化锌引发光聚合制备超疏水涂层用于液/液分离

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由于在石油、采矿和食品工业中有大量的含油废水被排放到环境中，高效、低成本且可连续使用的油水分离材料的研发迫在眉睫。近年来，受到荷叶表面自清洁特性的启发，具有特殊湿润性的仿生材料，例如超疏水/超亲油型材料成为了研究的热点。迄今为止，大量制备超湿润性材料的方法已被提出并广泛应用到油水分离领域，但同时具有制备简单、可大规模生产、成本低和能耗小的方法仍然是一个挑战。

近日，美国德州A&M大学方磊教授和Banerjee教授团队报道了一种基于四脚针状氧化锌（T-ZnO）和聚丙烯酸酯类的简易可大规模制备的超疏水/超亲油涂层。T-ZnO在体系中起到了一石二鸟的作用：（1）在UV光照下产生空穴，引发单体的自由基聚合从而形成低表面能的粘结层；（2）增加表面的粗糙度从而使其具有超湿润性。该涂层制备方法简单，成本低廉，并且过程中无需加热，因此很容易大规模生产。实验室中已展示制备30×60 cm的样品，但理论上其一次性制备的尺寸可以大得多。该方法的另一个显著优点是其可应用在不耐热的基材上（例如聚乙烯和聚乳酸）来构建超疏水表面。

图1. T-ZnO引发光聚合制备T-ZnO/PMA复合涂层

将T-ZnO喷涂的基材浸泡在单体的醇溶液中，同时进行UV（365 nm）光照，洗掉单体并干燥后可制得T-ZnO/聚甲基丙烯酸酯类复合涂层。具有较长烷基侧链的聚甲基丙烯酸十二烷基酯（PLMA）拥有较低的表面能，而T-ZnO减小了固体表面和液滴的接触面积，共同作用使得喷涂的铁网表面变得超疏水（接触角155.1°，滚动角8°）。当PLMA含量超过总重量的40%时，表面粗糙度减小从而导致表面疏水性减弱。T-ZnO/PLMA-40涂层覆盖的铁网能实现重力驱动下非互溶高/低表面能液体的高效分离（阈值~35 mN m^-1）。以十六烷/水混合物为例，在40次分离后铁网仍可保持超过99%的分离效率和41400 Lm^-2h^-1的渗透流速。此外，作者还将涂层运用到定量滤纸表面以高效分离乳化剂稳定的油水乳液。

图2. T-ZnO/PLMA-40铁网用于液/液分离：(a)-(c) 三种非互溶液体的分离；(d) 水的突破压力；(e) 不同液/液混合物的分离效率；(f) 十六烷/水的循环分离效率；(g) 流速

图3. T-ZnO/PLMA定量滤纸: (a), (b) SEM图片；(c) 用于分离油水乳液；(d) 分离前后的DLS数据

PLMA的存在赋予了涂层优异的力学性能，在经过超过100000次水滴撞击或600次高压（4 bar）水枪喷洒后，T-ZnO/PLMA-40铁网仍旧保持了超疏水性能，并且表面结构没有显著的改变。除了物理磨损，PLMA还使得涂层在极端的化学条件（强酸，强碱，高温）下保持了超过150°的接触角，从而让其可在上述严苛条件下进行液/液分离。

图4. T-ZnO/PLMA-40铁网的接触角随外界影响的变化：(a) 高压水枪喷涂；(b) 水滴撞击；(c) 化学环境

该工作为高效、低能耗、大规模制备超湿润性材料用于非互溶液/液分离提供了崭新思路。ZnO同时作为光引发剂和表面粗糙度的来源大大简化了体系的复杂度。该论文以“Photopolymerized superhydrophobic hybrid coating enabled by dual-purpose tetrapodal ZnO for liquid/liquid separation”为题发表在《Materials Horizons》上。该论文第一作者为德州A&M大学化学系博士研究生李臣轩，方磊教授和Sarbajit Banerjee为共同通讯作者。

原文链接：

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

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