UT Austin余桂华团队Angew：通过自组装模板法制备高弹性多孔水凝胶

多孔水凝胶在自然光照下具有高效的太阳能蒸发性能，可用于海水淡化和污水处理以提供清洁水的供应（详见报道一；报道二；报道三）。然而，制备具有耐用机械性能的大规模水凝胶材料仍然是一大难题。为克服上述挑战，近日，美国德州大学奥斯汀分校（UT Austin）的余桂华教授（点击查看介绍）课题组报道了一种简单而有效的自组装模板方法 (Self-assembled templating, SAT) 用于制备大面积弹性水凝胶蒸发器（图1）。SAT法制备的水凝胶无需冷冻干燥的便可实现低曲折度、可调孔径以及高度互连的多孔结构，有利于更进一步调控水凝胶内部水传输性能。另外该多孔水凝胶具有优异的弹性，经过数百次卷曲、折叠和扭曲后形状可以迅速恢复，并表现出高效稳定的蒸发速率（~2.8 kg/m²/h）。预计该SAT 制备方法将进一步加速水凝胶太阳能蒸发器的工业化应用。本工作的第一作者是Youhong Guo博士。

图1. 自组装模板法制备多孔水凝胶。

通过选择自组装小球的直径，凝胶的孔道可以从5微米调控到约400 微米（图2）。随着凝胶内部孔道变大，其饱和水含量从6 g/g 增加到36 g/g。另外水的传输速度则可从0.6 g/min提高到620 g/min，实现三个数量级的调控。COMSOL模拟不同孔径下水的传输也与实验结果吻合。

除了水的传输速率以外，调节孔道大小还可以进一步调控水的蒸发性能。具体而言，小孔道可有效降低蒸发焓但会限制水的传输，大孔道则会导致过高含水量并造成更多热量流失。因此，孔径为~75 微米的水凝胶可以达到很好的平衡以达到较高的蒸发速率，同时实现高效的除盐能力以及自清洁功能（图3）。最后，互相联通的孔道结构使得水凝胶具有良好的机械性能，经过数百次卷曲、折叠和扭曲后还能保持原有的蒸发性能，在实际应用中展现出明显优势。此外，SAT 制备方法可推广到其他水凝胶材料，用于能量存储、传感和组织工程等应用。

图2. 调控水凝胶中的水传输。 a-d）具有不同孔径大小的互联多孔水凝胶SEM图。e）孔道大小对水凝胶饱和水含量的影响 。 f）传水速度以及水凝胶从半饱和到饱和状态所需的时间。g-i）COMSOL 模拟的水传输性能。 

图3. a）一个阳光下水凝胶的水蒸发性能。 b）COMSOL模拟的蒸发通量。c）海水样品蒸发前后的脱盐性能。d）防盐垢的能力（照片）以及连续100小时的稳定性测试。e）百次卷曲、折叠和扭曲后的稳定蒸发性能。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Highly Elastic Interconnected Porous Hydrogels through Self-Assembled Templating for Solar Water Purification

Youhong Guo, Luize Scalco de Vasconcelos, Neha Manohar, Jiafeng Geng, Keith P. Johnston, Guihua Yu*

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202114074

作者简介

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系，机械系终身教授，英国皇家化学学会会士（FRSC）和皇家物理学会会士（FInstP）。

余桂华教授团队的研究重点是新型功能化纳米材料的精确设计和绿色合成，尤其是对能源和环境凝胶材料的开创性研究，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源，环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Catalysis, Nature Sustainability, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today 等国际著名刊物上发表论文230余篇，论文引用46,500次，H-index 116, 是在材料科学和化学两个学科的全球Top0.1%高被引研究学者。现任 ACS Materials Letters 副主编，是二十余个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委。

余桂华

https://www.x-mol.com/university/faculty/37838 

课题组链接

https://yugroup.me.utexas.edu