近日，国际著名期刊《纳米快报》（Nano Letters）在线发表热流科学与交叉技术研究所刘抗教授课题组研究成果，论文题为《高突破压力水凝胶实现高浓废水的超稳定处理》（High Breakthrough Pressure in Hydrogels Enabled Ultrastable Treatment of Hypersaline Wastewaters）。武汉大学为第一通讯单位，动力与机械学院硕士生马艳妮、博士生庾泽华为论文共同第一作者，刘抗教授为通讯作者。

       面对当前淡水短缺问题，海水和内陆微咸水淡化是重要的解决方案之一。膜蒸馏是一种热驱动分离过程，仅允许水分子通过微孔疏水滤膜，几乎可以完全排除水中的非挥发性溶质，有望实现高通量零液体排放。然而，高浓盐废水中的污染物在蒸发表面积累很容易导致滤膜润湿，进而造成结垢阻塞。刘抗教授团队发现水凝胶材料内部特殊孔隙使其具有高突破压力，特别是在表面活性剂存在的情况下，突破压力几乎不发生变化。通过在疏水性聚四氟乙烯膜上修饰水凝胶薄膜，可有效改善蒸发界面和超盐溶液中的滤膜润湿问题（图1）。在盐浓度为5 M和表面活性剂浓度为8 mM的溶液中，水凝胶复合膜表现出显著的稳定性，其突破压力达到20 bar，比商用疏水膜高出一到两个数量级。该研究通过分子动力学模拟揭示了水凝胶链网络与和表面活性剂之间的相互作用抑制表面活性剂的界面效应，减小后者在三相接触线处的聚集，并破坏表面活性物质在蒸发表面的有序分布，保护滤膜免于润湿。这些结果表明，水凝胶具有较强的水分束缚和防污性能，水凝胶复合膜在超咸水处理和零液体排放应用中具有广泛潜力。

图1 水凝胶复合膜在膜蒸馏过程中的稳定性

  近日，国际著名期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）在线发表我所杨培华研究员最新研究成果，论文题为《水系电池中原位自发电聚合水凝胶电解质实现稳固界面》（In-Situ Spontaneous Electropolymerization Enables Robust Hydrogel Electrolyte Interfaces in Aqueous Batteries）。武汉大学为第一通讯单位，博士研究生陈良源为论文第一作者，杨培华研究员、赵焱教授和南洋理工大学范红金教授为共同通讯作者，刘抗教授为论文的共同作者。

       水凝胶具备优良的离子输运调控能力，在水系电池中有本征优势。然而，传统方法制备的水凝胶电解质往往无法确保与电极有良好的接触，在电极表面进行原位聚合可以有效提高电解质与电极界面兼容，降低界面阻抗。基于此，该团队提出了一种原位电聚合方法来构建水凝胶电解质（图2）。在电池循环过程中，界面电化学反应产生自由基，从而自发诱导前驱体溶液聚合成凝胶电解质。电聚合过程中，单体分子直接参与电极表面的氧化还原反应，并在表面发生交联聚合，形成的水凝胶电解质与电极具有深度渗透的物理接触和良好化学结合。以Zn-MnO2电池为例，原位电聚合形成的水凝胶电解质具有双重作用：它促进了阳极界面的锌离子扩散，限制了枝晶生长；在阴极稳固的水凝胶界面有利于电荷转移，提高了电极动力学性能和器件稳定性。

图2 原位电聚合水凝胶电解质示意图

       上述研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等资助，并获得了武汉大学超算中心和武汉大学科研公共服务条件平台的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00219

https://doi.org/10.1002/anie.202400230