日益增长的工业化和人类活动导致了水质的严重恶化。许多水源受到有害污染物的污染，包括化学物质和细菌。排放的有机污染物对水生生物和人类健康构成严重威胁。微生物污染物主要导致水传播疾病的传播。因此，人们投入了巨大的精力来开发水修复技术。水污染和淡水短缺加剧了全球水危机。开发可持续的方法来缓解受污染的水已经成为当务之急。
受天然树木的水分输送和蒸腾作用的启发，来自中国科学院上海陶瓷研究所的学者报道了一种基于超长羟基磷灰石纳米线的仿生气凝胶，它具有垂直排列的通道，具有连续流动催化、水消毒、太阳能净水和海水淡化等多功能。超长羟基磷灰石纳米线作为载体固定催化剂纳米颗粒，与壳聚糖组装形成结构-功能一体化的仿生气凝胶。该仿生气凝胶具有相互连接的细胞结构、单向排列的孔道、纳米线交织的网络孔壁和均匀分布的催化剂纳米颗粒，在重力驱动下连续流动催化降解亚甲基蓝过程中表现出较高的催化活性(处理效率为97.6%)和渗透率(1786Lm−2h−1)、良好的可回收性和稳定性。该仿生气凝胶具有优良的除菌和抗生物污垢性能。这种仿生气凝胶具有优异的光热转化和热特性，在一次太阳辐射下对太阳能海水淡化和废水净化的效率高达86.7%。多功能仿生气凝胶在催化反应、废水修复、环境工程等方面具有广阔的应用前景。相关文章以“Tree-Inspired Ultralong Hydroxyapatite Nanowires-Based Multifunctional Aerogel with Vertically Aligned Channels for Continuous Flow Catalysis, Water Disinfection, and Solar Energy-Driven Water Purifcation”标题发表在Advanced Functional Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202106978
图1.具有垂直排列通道的树形仿生CS/HAP@Pd气凝胶的制造和多功能。a)具有垂直排列结构的仿生CS/HAP@Pd气凝胶的制备方法示意图。b)天然树木的水分运输和蒸腾行为。c)展示了仿生CS/HAP@Pd气凝胶在重力驱动连续流催化和水消毒中的多重功能的图表。d)太阳能蒸汽发电和净水示意图。
图2.制备的HAP@Pd纳米颗粒和仿生CS/HAP@Pd气凝胶的形貌表征和压制试验。a，b)HAP@Pd纳米粒子的TEM照片，b)中的插图显示了Pd纳米粒子的粒度分布。c)HAP@Pd NWS的Ca、P、Pd元素映射。(d-g)CS/HAP@Pd气凝胶横向表面(d-f)和纵向截面(g)的扫描电镜照片。
图3.具有不同CS/HAP重量比的CS/HAp@Pd气凝胶样品和对照样品的表征和性能。a)FTIR光谱：a1)HAP@Pd NWS，a2)CS/HAP@Pd气凝胶，a3)CS。b)氮气吸附-脱附等温线：b1)HAP@Pd气凝胶，b2)CS/HAP@Pd气凝胶(1：4)，b3)CS/HAP@Pd气凝胶(1：2)，b4)CS/HAP@Pd气凝胶(1：1)，b5)CS气凝胶。c)压缩应力-应变曲线：c1)HAP@Pd气凝胶，c2)CS/HAP@Pd气凝胶(1：4)，c3)CS/HAP@Pd气凝胶(1：2)，c4)CS/HAP@Pd气凝胶(1：1)，c5)CS气凝胶。
图4.仿生CS/HAP@Pd气凝胶对甲基溴的重力驱动连续流动催化降解性能。a)测试设备的数字图像。b)CS/HAP@Pd气凝胶连续流动催化降解前后MB和NaBH4水溶液的紫外-可见吸收光谱，插图显示连续流动催化降解前后的两种溶液。这两种溶液被稀释10倍，然后进行UV-vis吸收测量。c)MB NaBH4水溶液流经CS/HAp@Pd气凝胶不同流动时间后，水溶液中MB的残留浓度及相应的MB催化效率。
图5.仿生CS/HAP@Pd气凝胶的水消毒和抗生物污垢性能。a)用CS/HAP@Pd气凝胶处理前后与细菌(大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)悬液一起培养的固体营养琼脂平板的数字图像。b)细菌(大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)的去除效率。c)在不同孵育时间采集的细菌(大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)悬液(大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)在600nm处的OD值，在未加对照或用CS/HAP@Pd气凝胶或HAP@Pd气凝胶的情况下测得。
图6.仿生CS/HAP@Pd气凝胶在太阳能驱动的蒸汽产生、净水和海水淡化中的性能。a)基于CS/HAP@Pd气凝胶的太阳能驱动蒸汽发电示意图。b)CS/HAP@Pd气凝胶和CS/HAP气凝胶的红外热成像(IR)，在没有和在一个太阳光照射下20分钟。c)在一个太阳光照射下纯水的重量随太阳光照射时间的变化：在黑暗中或在一个太阳光照射下没有任何样品的纯水，使用CS/HAP@Pd气凝胶的纯水，或在一个太阳光照射下的CS/HAP气凝胶。
综上所述，受天然树木水分运输和蒸腾作用的启发，本文开发了一种具有垂直排列通道的仿生CS/HAP@Pd气凝胶，其中包括Pd纳米粒子修饰的超长羟基磷灰石纳米线和CS。实验表明，仿生CS/HAP@Pd气凝胶在高效连续流动催化反应、水消毒、太阳能净水和海水淡化等方面具有优异的性能。CS/HAP@Pd气凝胶具有良好的光热转化和散热性能，可实现单次太阳辐射下86.7%的太阳能热蒸发效率，并可从模拟废水和实际海水样品中高效生产清洁水。预计多功能仿生CS/HAP@Pd气凝胶在流动过滤催化反应、净水、海水淡化和环境工程等方面具有广阔的应用前景。（文：SSC）
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