中国地质大学夏帆教授团队和中南民族大学金士威教授团队：水收集与净化的一体化应用

当今世界上有一半的国家和地区缺水，其中近五分之一的国家和地区严重缺水[1]。因为大气中的含水量占据全球水资源的10%，所以从大气中收集捕获水是缓解全球水资源短缺危机的一种可行且有效的方法[2, 3]。然而，近些年来关于水汽收集的研究工作主要集中于如何优化集水方式和集水效率，完全忽略了所收集水的安全性和可利用性问题。

基于此，中国地质大学（武汉）夏帆教授团队和中南民族大学金士威教授团队共同提出了一种水收集与净化的方案（图1），以沙漠甲虫和仙人掌刺为灵感，设计了一种同时收集水和净化水的仿生材料，以获取更多的淡水资源。近日，本文正式发表于Water Research期刊，题为“Integration of water collection and purification on cactus- and beetle-inspired eco-friendly superwettable materials”。

图1 水收集与净化的一体化应用

本文采用了环境友好型基材来制备仿生材料。以蜡烛燃烧时的烟灰（CS）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合形成超疏水涂层基底，其水滴接触角约为161.5°，滚动角约为7.0°。楔形图案区域由P25型二氧化钛纳米颗粒（P25 NPs）组成，具有超亲水性，水滴接触角接近0°。因此，成功地制备了超疏水-超亲水图案化的仿生表面（图2）。

图2 仿生材料的制备与表征

除了对纯水有优异的收集性能之外，此仿生材料在污水中也有较大的捕获能力。但是，所收集废水中的农药含量依然较高，不可直接利用。在超亲水区域上存在的P25 NPs，在紫外光条件下可以激发超氧化物和羟基自由基与样品表面的农药发生反应，从而降低其在水中的浓度。通过1 小时的紫外线照射下，所有农药残留量均低于 5%（图3）。

图3 污水的收集与净化，其中含有九种农药（0.5 mg/L），如腈菌唑、三唑酮、多效唑、氟三醇、戊唑醇、己唑醇、灭菌唑、羟菌唑、苯霜灵

为证明利用仿生材料收集和净化后水的质量，将10条斑马鱼分别放置于三个10升的水箱中，农药+水（降解前），农药+水（降解后），水，并观测其存活状态。结果发现，在没有降解处理的农药水环境中，斑马鱼在7小时内全部死亡。而，在经过净化的废水中，所有的鱼都能存活 72 小时以上（图4）。由此证明了只有经过净化后的收集水才能保证获取高质量的水资源。

图4 农药+水（降解前），农药+水（降解后），水的质量评估

综上所述，本文通过将水收集和净化技术结合于仿生超润湿表面上，以获取优质的水资源。此研究拓宽了人类获取淡水的方式，为缓解全球水资源短缺危机提供了可行方案。

中国地质大学（武汉）朱海博士和中南民族大学硕士研究生蔡思为该论文的共同第一作者，中国地质大学（武汉）夏帆教授和中南民族大学金士威教授为该论文的共同通讯作者。此论文还得到中国地质大学（武汉）的袁松虎教授和黄羽教授、重庆理工大学的李思奇博士、河海大学的王大伟教授、咸宁环保局的朱娟和吴雅琴等的大力帮助。这项工作得到了国家自然科学基金（22090050, 21874121, 51803194）的支持及浙江省自然科学基金项目（LD21B050001, LY20B050002）的资助。据悉，该研究涉及的斑马鱼品系来源于国家水生生物种质资源库国家斑马鱼资源中心。

参考文献：

1. J. Wang, L.Wang, N. Sun, R. Tierney, H. Li, M. Corsetti, L. Williams, P.K. Wong, T.S. Wong.Viscoelastic solid-repellent coatings for extreme water saving and global sanitation. Nat. Sustain., 2019, 2, 1097-1105.

2. H, Zhu, R.L.Duan, X.D. Wang, J.L. Yang, J.H. Wang, Y. Huang, F. Xia. Prewetting dichloromethane induced aqueous solution adhered on Cassie superhydrophobic substrates to fabricate efficient fog-harvesting materials inspired by Namib Desert beetles and mussels. Nanoscale, 2018,10, 13045-13054.

3. X.X. Tang, H.W.Liu, L. Xiao, M.L. Zhou, H.Y. Bai, J.H. Fang, Z.H. Cui, H. Cheng, G.L. Li, Y.B.Zhang, M.Y. Cao. A hierarchical origami moisture collector with laser-textured microchannel array for a plug-and-play irrigation system. J. Mater. Chem. A, 2021,9, 5630-5638.