水污染和淡水資源短缺已成為全球性問題。根據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，到2025年，三分之二的世界人口可能會面臨水資源短缺，因此水處理材料及技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用就顯得尤為重要。水處理材料包括分離過濾材料，吸附材料，催化材料，以及近年來出現(xiàn)的太陽能光熱凈水材料等。上述材料的水處理性能與其表/界面性質(zhì)（微納結(jié)構(gòu)、浸潤性、孔徑、電荷、比表面積等）有直接關(guān)系，因此，需要開發(fā)有效的表/界面改性和調(diào)控方法。
近年來，以聚多巴胺（PDA）為代表的貽貝仿生涂層由于制備過程簡單溫和、具有優(yōu)異的粘附性及良好的二次反應(yīng)活性，在包括水處理在內(nèi)的各領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。然而，制備PDA的多巴胺單體價格較昂貴，不利于大規(guī)模生產(chǎn)使用，因此需尋找一種低廉的替代物。為此，科研人員開發(fā)了廉價易得的多酚涂層，但以單寧酸為代表的多酚涂層對化學(xué)惰性及疏水材料的表/界面改性效果有限。針對此問題，李越湘教授團隊的王振興博士受疏水分離膜易吸附蛋白及皮革鞣制的啟發(fā)，開發(fā)了基于蛋白吸附-單寧酸固化的疏水膜表面超親水化改性方法，實現(xiàn)了多酚類物質(zhì)對多種疏水材料的高效改性（Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 13959；圖一）。
除了成本較高外，PDA涂層還存在另一問題：通常所得PDA涂層多為較薄平滑涂層，其很難大幅改變原材料表/界面形貌，限制了其在需構(gòu)筑大量微納結(jié)構(gòu)的粗糙表面中的應(yīng)用。盡管這一問題可通過在多巴胺聚合過程中加入大量納米顆?；虼蠓岣叨喟桶窛舛葋斫鉀Q，但這無疑增加了制備過程的繁瑣性和成本。事實上，目前已報道的多酚類涂層也存在類似問題。近期，王振興博士和李越湘教授開發(fā)了單寧酸（TA）-3氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）涂層（即TA-APTES涂層），有效解決了上述問題（Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 3391；圖二）。TA-APTES涂層制備過程簡單溫和，具有類似PDA的優(yōu)異黏附性和普適性，可實現(xiàn)對多種材料（聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、不銹鋼網(wǎng)、銅網(wǎng)等）的表/界面改性，同時具有PDA及以往報道的多酚類涂層所不具備的豐富微納結(jié)構(gòu)，有利于制備性能優(yōu)異的功能材料。此外，TA和APTES價格低廉，有利于TA-APTES涂層的應(yīng)用。
涂層的二次反應(yīng)活性對于涂層的擴展性應(yīng)用具有重要意義。進一步的研究表明TA-APTES涂層表面含有大量的酚羥基和少量的氨基，具有類似于PDA涂層的二次反應(yīng)活性，為該涂層進一步功能化制備多種功能材料提供了良好的平臺（Journal of Membrane Science, 2018, 564, 317）。為了展示TA-APTES涂層的優(yōu)勢，選取PDA涂層作對比，利用同樣的二次改性方法和步驟，分別制備了基于TA-APTES涂層和PDA涂層的功能材料（吸附材料、催化材料、油水分離材料）。得益于TA-APTES涂層獨特的微納結(jié)構(gòu)，基于TA-APTES涂層所得功能材料的性能遠優(yōu)于基于PDA涂層的材料?（Chemical Engineering Journal, 2019, 360, 299；圖三）。?上述研究表明TA-APTES涂層有望在某些領(lǐng)域替代PDA。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過三價鐵離子處理后的涂層，即(TA-APTES)-Fe(III)涂層，具備良好的光吸收特性，可將光能有效地轉(zhuǎn)化為熱能，有望作為一種新型光熱材料用于太陽能海水淡化領(lǐng)域。研究表明，該?(TA-APTES)- Fe(III)光熱涂層具有很好的普適性，可將聚偏氟乙烯微濾膜、尼龍布料、聚氨酯海綿、棉花、木材、普通濾紙等多種多樣的材料轉(zhuǎn)化太陽能海水淡化用的光熱復(fù)合材料。以(TA-APTES)- Fe(III)涂層修飾后的聚酯海綿為例：該復(fù)合光熱材料在250-2500nm波長范圍內(nèi)具有較高的光吸收特性，其高吸光性是大量酚羥基和三價鐵絡(luò)合物中的d-d躍遷、涂層自身的微納結(jié)構(gòu)以及海綿的多孔性導(dǎo)致的。其在一個太陽光照強度下（1kW m-2）的純水蒸發(fā)量可達1.43 kg?m-2h-1，光熱轉(zhuǎn)化效率達到90％。進一步考察了其對海水的脫鹽能力，發(fā)現(xiàn)經(jīng)該光熱材料所得的冷凝水中各離子的濃度大幅度降低，所收集冷凝水的純度超過了國際飲用水標準。此外，該涂層還可賦予光熱材料優(yōu)異的抗油污染性能，使其處理含油廢水時仍可保持穩(wěn)定的水蒸發(fā)效率。并且，該新型光熱涂層具有較強的耐酸堿性（pH: 2-12），耐沖洗，耐循環(huán)凍融。更為重要的是該涂層具有優(yōu)異的普適性和靈活性，可實現(xiàn)對具有任意形貌的不同材料的改性，因而非常便于結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而進一步提高其水蒸發(fā)速率（有望與3D打印結(jié)合，制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光熱材料）。與以往報道的各類光熱材料相比，該類涂層具有獨特的優(yōu)勢：制備過程簡單溫和、無需復(fù)雜昂貴的設(shè)備、成本低廉、普適性好、兼容各種結(jié)構(gòu)設(shè)計、具備多功能性等。上述獨特優(yōu)點使其有望成為制備高性能光熱海水淡化材料的有力工具?（Versatile coating with multifunctional performance for solar steam generation,?Nano?Energy, 2020, Accepted;?圖四）。
在上述研究過程中，進一步發(fā)現(xiàn)：對于木材而言，只需將其置于單寧酸水溶液中浸泡一段時間，之后再將其置于含有三價鐵離子的水溶液中浸漬，就可將多種多樣的木材轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｋ玫墓鉄岵牧希?em>Nano?Energy, 2020, 71, 104650；圖五）。目前文獻報道的制備木基光熱材料的方法主要有兩種：一種是表面碳化；另一種是表面涂層。表面碳化是將平整的木材置于高溫的加熱板上，通過高溫將接觸面進行碳化。這一技術(shù)需要較高的溫度，并且較難實現(xiàn)不平整或不規(guī)則木材表面的均勻碳化；此外，經(jīng)過高溫碳化后的木材表面會失去大量的親水基團，導(dǎo)致其水下抗油黏附性能降低，易被水中油滴黏附堵塞孔道，導(dǎo)致產(chǎn)水性能大幅降低。表面涂層技術(shù)是將制備好的光熱材料涂敷在木材表面。常用的涂敷材料為炭黑等光熱材料，這些材料由于和木材之間沒有足夠的結(jié)合力，容易在外力作用下脫落。與上述已報道方法相比，新方法無需高溫高壓或特殊設(shè)備，綠色環(huán)保，且所形成光熱涂層具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性（經(jīng)長時間超聲處理也不會脫落）和優(yōu)異的水下抗油黏附性，還適用于任意形狀的多種木材，為設(shè)計開發(fā)高性能木基光熱海水淡化材料提供了新的思路和途徑。
基于在貽貝仿生表/界面改性中的長期研究工作，南昌大學(xué)王振興博士、李越湘教授與哈爾濱工業(yè)大學(xué)邵路教授、中山大學(xué)楊皓程副教授及美國阿貢國家實驗室的Seth?B. Darling研究員等人合作，詳細總結(jié)分析了近年來貽貝仿生表/界面改性技術(shù)在水處理領(lǐng)域的研究進展和面臨的挑戰(zhàn)，并展望了這一領(lǐng)域的發(fā)展方向，相關(guān)工作以綜述的形式發(fā)表在Cell旗下材料類旗艦刊Matter?（Mussel-inspired surface engineering for water-remediation materials, Matter, 2019, 1, 115-155；圖六）。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、江西省自然科學(xué)基金的資助。感謝姬勝強（已碩士畢業(yè)）和韓明才（在讀研究生）兩位同學(xué)的辛勤付出。
