耐久性、効率性、広い適用性を有する超疎水性ナノ構造表面をワンステップ、低コストで作成するために、イ貝にインスパイアされたグリーンな方法

One-step, low-cost, mussel-inspired green method to prepare superhydrophobic nanostructured surfaces having durability, efficiency, and wide applicability.

• Jin Zhang
• Jianguo Zhao
• Wenshan Qu
• Xinyu Li
• Zhenxing Wang

抄録

日常生活や工業生産から排出される様々な油や、頻繁に発生する油の流出は、深刻な水質汚染や生態系の問題を引き起こしています。このような問題を解決するためには、油と水を分離するための超疎水性材料の開発が必要であり、そのためにはマッセルにヒントを得たポリドパミンが広く応用されています。しかし、ナノ構造を構築するための面倒な手順を経てナノ粒子を追加する必要があり、ドーパミン自体のコストが高いため、実用化には限界があります。さらに、油／水分離のための超疎水性材料の適用態様は単調であり、これは超疎水性材料の適用範囲を制限することになる。例えば、超疎水性スポンジは、通常、水中の油滴や流出油を吸着するために使用され、超疎水性の布やメッシュは、バルク層状の油／水混合物を分離するために使用されるのが一般的であった。そのため、超疎水性材料を用いた表面改質法の開発や、油水分離のための多様な応用形態の開発が望まれている。本研究では、新しいワンステップで費用対効果の高いマッセルに着目したアプローチにより、多様な油水分離に優れた性能を発揮するナノ構造を有する超疎水性スポンジと布帛を作製した。その結果、超疎水性スポンジは優れた吸油性能を示し（重量増加率は最大8860％）、超疎水性織物は油と水の混合物を効果的に分離することができます。さらに、油水分離のための多様なモードが初めて開発されました。例えば、油中水型エマルションは圧縮超疎水性スポンジで高効率に分離することができ（油中水型エマルションは〜1800L mh bar、水滴は99%以上の阻止率）、原油流出物は超疎水性ボートで効率的に回収することができます（98%以上）。

Various oils discharged from daily life and industrial production, as well as frequent oil spillages, have led to severe water pollution and ecological problems. Mussel-inspired polydopamine has been widely applied for fabrication of superhydrophobic materials for oil/water separation. However, the need of additional nanoparticles via tedious steps to construct nanostructures, and the high cost of dopamine itself limit its practical applications. Moreover, the application modes of superhydrophobic materials for oil/water separation are monotonous, which will limit the applied range of the superhydrophobic materials. For example, superhydrophobic sponge was usually used for adsorbing oil droplets or oil spills from water, while superhydrophobic fabric or mesh was usually used for separating bulk layered oil/water mixture. Therefore, developing simple and low-cost mussel-inspired surface modification strategy toward superhydrophobic materials, as well as diverse application modes for oil/water separation, is still highly desired. In this study, superhydrophobic sponge and fabric with nanostructures, which exhibits excellent performance for diverse oil/water separation, have been fabricated through a novel one-step and cost-effective mussel-inspired approach. The resultant superhydrophobic sponge exhibits outstanding oil absorption capability (weight gains up to 8860%), while the superhydrophobic fabric can effectively separate oil/water mixture. Moreover, diverse modes for oil/water separation have been developed for the first time. For example, water-in-oil emulsion can be highly-efficient separated by a compressed superhydrophobic sponge (~1800L mh bar for water-in-oil emulsion, and above 99% rejection rate for water droplets), while crude oil spills can be efficiently collected by a superhydrophobic boat (above 98%).

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