化工与材料学院在超分子自组装领域应用方面取得系列重要进展

近日，我校化工与材料学院教师李盛华，在国际知名期刊《Small》上发表以题为“Macrocycle self-assembly hydrogel for high-efficient oil–water separation”的论文。《Small》是一流的多学科期刊之一，涵盖了材料科学、化学、物理、工程、医学和生物学等领域的纳米和微尺度的广泛主题。

近年来，小分子量凝胶(low molecular weight gelators, LMWGs，分子量 < 2000~3000 Da)因其独特的非共价相互作用、刺激-响应特性、动态可逆性等优点而引起了人们广泛关注。但是基于未修饰大环/分子笼开发超级凝胶因子仍然是存在巨大挑战。该论文报道了一种新型笼状芳烃——花灯[33]烃(lantern[33]arene , L[33]A)水凝胶的构筑及其功能应用。

他们首先实现了花灯[33]烃的宏量制备，并发现花灯[33]烃可溶于碱性溶液，随后酸化即可形成水凝胶，并且这种成凝过程可以循环往复。花灯[33]烃的临界成凝浓度为0.05 wt.%，即1.0 mg花灯烃就可以使2.0 g水成凝，这一成凝浓度是目前大环水凝胶体系中的最低水平。作者进一步给出了花灯烃的成凝机制，即花灯烃的钾盐溶液经过酸熏后，其酚氧负离子质子化为酚羟基，酚羟基之间即可形成氢键，这一作用驱动花灯烃分子组装成为纳米HOF条带，这些条带进一步缠结为交织状纤维结构，从而形成水凝胶。这一HOF成凝机制打破了HOF为晶体颗粒的固有理念，为构筑高效水凝胶体系提供了新的设计思路。

图1. 大环水凝胶的概念设计及其在油水分离中的应用。(a) L[33] A及其异构体Noria的合成路线; (b)碱化L[33]A在酸性蒸汽中依次形成HOF纳米带、水凝胶，然后将L[33]A水凝胶涂敷在SSM上作为油水分离膜。

基于水凝胶的亲水疏油特性，作者进一步将尝试该水凝胶用于油水分离。他们将不锈钢网浸入到花灯烃的钾盐溶液中，取出后经酸处理即可在不锈钢网上原为生成一层水凝胶薄膜。这层膜的存在极大改善了不锈钢网的亲水疏油性能。如图4所示，将该材料用于油水分离过程中，不仅具有较高的水通量(>6×104 L m−2 h−1)、而且也展示出了优异的分离效率(>99%)和良好的循环往复性能(30次)等。

图2. (a)花灯[33]烃水凝胶包覆的不锈钢网作为过滤器的进行油水分离实验过程;(b)分离甲苯/二甲苯/己烷/聚乙烯和水混合物的通量(柱状图)和分离效率(折线);(c)花灯[33]烃水凝胶包覆不锈钢网与不同油的水下油接触角;(d)花灯[33]烃水凝胶包覆不锈钢网经30次分离己烷/水混合物的通量(柱状图)和分离效率(折线);(e)花灯[33]烃水凝胶包覆不锈钢网在经30次数中的水下油接触角;(f)花灯[33]烃水凝胶包覆不锈钢网所能承受的正己烷的最大高度。

综上所述，作者赋予“尾对尾式多聚间苯二酚杯芳烃”这类分子一个形象化名称—花灯烃，并实现了花灯[33]烃的宏量制备。在此基础上他们发现了花灯[33]烃的自主装凝胶化过程，并提出了HOF凝胶化机制。最终将所得材料用于油水分离过程，具有良好的通量、分离效率和耐久性。该论文由国家自然科学基金（22001194, 21801185, 52173044）资助，天津科技大学为第一完成单位，第一作者为李盛华，通讯作者为我校理学院赵倩博士及美国西北大学吴煌博士。天津科技大学化工与材料学院教师李盛华近年在多酚超分子化学研究领域取得了系列阶段性成果，相关研究成果在国际知名期刊如《ACS Materials Letters》（2023, https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00082, IF = 11.4），《ACS Applied Materials Interface》（2021, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c16121）等陆续发表。

本研究论文全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202301934

编辑：赵容宇  张新宇