自然水体中的有机污染物长久以来一直是我国面临的一大环境问题。尤其是在偏远地区，其畜牧业中大量使用的以四环素为代表的抗生素会随着动物的粪便排放到土地中，并在雨水的作用下最终流入自然水体，造成水中的抗生素积累，严重地威胁了当地居民的健康。
在诸多处理抗生素污水的方法中，电化学降解法便于实施且效率较高，在近几年受到了广泛关注。然而，电化学降解通常需要外部电源持续供电，在这些偏远地区，电源的缺乏使得传统的污水处理设备难以发挥作用。同时，牧民需要随着季节的变化“逐水草而居”，而传统的污水处理设施一般是固定的，难以满足其频繁迁徙的需求。为了解决这个问题，近日，武纺夏治刚教授团队和华科大苏彬教授团队受高原地区“五彩经幡”的启发，设计了一种基于柔性复合材料的磁电风力发电旗帜，并将这种旗帜用于驱动电化学反应，在兼顾当地文化的同时实现了水中四环素的高效率氧化降解，为偏远地区抗生素污水乃至有机污水的无电源净化提供了新的思路与可能性。相关研究成果在线发表于Advanced Functional Materials（DOI：10.1002/adfm.202210637）。
图1. 柔性磁电风力发电旗帜的制备过程（来源：Advanced Functional Materials）
具体来说，研究团队以碳纤维和棉线为原材料，通过摩擦纺纱技术将棉线包覆在碳纤维束表面，制得了一种中心导电而表面绝缘的柔性复合材料。将这种柔性复合材料绕成线圈，并且缝入两片布之间，就得到了柔性磁电风力发电旗帜的旗面。同时，将磁铁芯分段编织入棉纱中，制得可折叠的柔性磁绳，作为旗杆。将得到的旗面和柔性磁绳结合，即可得到柔性磁电风力发电旗帜。
图2. 柔性磁电风力发电旗帜的发电原理和便携性（来源：Advanced Functional Materials）
在风力的作用下，旗面摆动的同时带动其中的导电线圈切割柔性磁绳的磁力线，从而产生感应电流。这种柔性磁电风力发电旗帜可以折叠收纳成很小的体积，具有极强的便携性（如图2）。
图3. 柔性磁电风力发电旗帜的输出性能以及理论模拟（来源：Advanced Functional Materials）
作者对柔性磁电风力发电旗帜的输出性能进行的实验测试与理论模拟。实验发现单面旗帜在6.3
m/s的风速下可以产生高达3.5 V的开路电压和13
mA的短路电流。同类工作中发电机的输出电流大多为μA级别，相比之下，此工作中的柔性磁电风力发电旗帜的输出性能十分优异。同时，根据理论模拟计算出的旗帜摆动产生的电压为3.31
V，与实验结果相吻合。
图4. 柔性磁电风力发电旗帜用于电化学氧化降解水中四环素的测试（来源：Advanced Functional Materials）
随后，作者用该柔性磁电风力发电旗帜构建了自供能电化学系统，用来电化学氧化分解水中的四环素。实验发现，单面旗帜在6.3
m/s的风速下，184分钟内可以将一个5 F的商用超级电容充至1 V。在相同的条件下，25面旗帜同时输出，即可在相同的时间内得到一个5 F 5
V的电容。作者将得到的电容作为自供能电化学系统的电源，用来驱动电芬顿反应，发现40 mL、5 ppm的四环素水溶液可以在10
分钟内被完全净化，四环素的分解率高达99.9%。目前为止，在同类工作中，该工作分解相同浓度的有机污染物所需时间最短（如图4）。同时，对于较高浓度（40 ppm）的四环素溶液，该自供能电化学系统也有较好的表现，在10分钟内四环素的分解率达到了95%以上。
图5. 柔性磁电风力发电旗帜用于电化学氧化有机色素的测试（来源：Advanced Functional Materials）
最后，为了证明该自供能电化学系统对于不同种类有机污染物的适用性，作者还将用一系列有机色素（亚甲基蓝、金橙和孔雀石绿）替代四环素进行了测试。研究发现，在10分钟内，该自供能电化学系统对5 ppm的亚甲基蓝、金橙和孔雀石绿的分解率分别达到了94.6%、98.9%和97.9%。由此可见，该自供能电化学系统对于各种有机污染物均有良好的适用性。该工作近期发表于国际材料领域权威期刊《先进功能材料》（DOI：10.1002/adfm.202210637）。该论文的第一作者为华中科技大学材料学院的刘子川博士，通讯作者为武汉纺织大学纺织学院的夏治刚教授以及华中科技大学材料学院的苏彬教授和黄剑瑜博士。该工作得到了武汉纺织大学纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室、湖北省科学技术厅的大力支持。
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