Design and construction of CuS functionalized superhydrophobic cellulose paper with effective oil/water separation, and photothermally boosted antimicrobial and anti-/deicing performances

技術要約：CuS機能化超撥水セルロースペーパーの設計と構築

問題提起
本論文は、頻発するオイルスピル（油流出）や制御不能な油性廃水の排出がもたらす、生態系および人類の健康を脅かす深刻化する環境問題に対処している。スキミングや生物学的浄化などの従来の処理手法は存在するものの、それらはしばしば操作の複雑さ、高いエネルギー需要、および限定的なスケーラビリティという課題を抱えている。超撥水表面（SHSs）は油／水分離のための有望な代替案であるが、その実用化は、機械的安定性の不足、高い製造コスト、および機能性ナノ粒子（光熱剤など）が基材から剥離しやすい傾向によって阻害されることが多い。さらに、既存の材料は、低温の過酷な環境下での運用に不可欠な、光熱駆動型の抗菌活性や防氷・除氷機能といった統合された機能を欠いていることが多い。

手法
これらの課題に対処するため、著者らは硫化銅（CuS）で機能化した多機能超撥水セルロースペーパー（CP）を設計・製作した。製造プロセスには、多段階の修飾戦略を用いた：

1. 基材の準備： 環境に優しく再生可能なベースとして、市販のセルロースペーパー（CP）を使用した。
2. PDAコーティング： CuSとセルロース間の界面接触の弱さを解決するため、ドーパミンの自発的な酸化重合によるポリドパミン（PDA）コーティングを適用した。これは、ムシスのタンパク質に着想を得た強固な接着層として機能した。
3. CuSの堆積： CuSナノ粒子を水熱合成法により合成し、その後、PDA修飾されたペーパー上にインサイチュ（in-situ）でコーティングした。PDA層は、CuS粒子とセルロース繊維の間の強力な接着を促進した。
4. 疎水性修飾： 複合体をオクタデシルアミン（ODA）溶液に浸漬した。ODAの長鎖炭化水素が表面エネルギーを低下させ、超撥水状態への移行を完了させた。

得られた材料（CP/PDA/CuS/ODAと命名）は、SEM、XRD、FTIR、および接触角測定を用いて特性評価された。その性能は、油／水分離テスト、耐久性評価（機械的、化学的、熱的、およびUV）、防汚／セルフクリーニングテスト、および光熱評価（抗菌および防氷／除氷機能を含む）を通じて評価された。

主な貢献と結果

• 超撥水性と超親油性： 修飾されたペーパーは、水接触角（WCA）156.4°と、実質的にゼロの油接触角（OCA）を示した。この濡れ性は、PDA/CuSクラスターによって提供される階層的なマイクロ／ナノ粗さと、ODAコーティングの低表面エネルギーの相乗効果に起因する。
• 油／水分離： 本材料は、さまざまな油／水混合物（シクロヘキサン、石油エーテル、n-ヘキサン、ジクロロメタン、クロロホルム、および四塩化炭素を含む）に対して、効果的な連続重力駆動分離を示した。
  • 効率： 分離効率は、テストされたすべての混合物において99.35%を超えた。
  • フラックス： 外部圧力をかけずに、高い透過フラックス（約8443〜10034 L m⁻² h⁻¹）を達成した。
  • 吸収容量： さまざまな有機溶媒や油に対して、高い油吸収容量（7.68–21.92 g/g）を示した。
  • 再利用性： 分離性能は10〜20サイクルにわたって安定していた。
• 耐久性： 本材料は、以下の条件下においても優れた堅牢性を示し、超撥水性（WCA > 150°）を維持した：
  • 100回のテープ剥離サイクル。
  • 100回の折り畳みサイクル。
  • 10回のサンドペーパー摩耗サイクル。
  • 酸性（pH 1）およびアルカリ性（pH 12）溶液への曝露、塩水（最大5 wt% NaCl）、UV照射（12時間）、および熱処理（最大100°C）。
  • 常温条件下での長期保存（5週間）。
• 防汚およびセルフクリーニング： 表面は、さまざまな液体汚染物質（ブドウジュース、コーラ、色素溶液）および固体汚染物質（チョーク粉）からの汚染に耐性を示した。水滴は表面を転がり落ち、汚れを運び去ることで、効果的なセルフクリーニングを実証した。
• 光熱性能： CuSおよびPDAの光熱変換能力を活用して：
  • 1.0 kW m⁻² の太陽放射下で、表面温度は60秒以内に約74.3〜78.6°Cに達した。
  • 材料は、10回の光オンオフサイクルにわたって優れた光熱安定性を示した。
• 光熱抗菌活性： 光照射下において、本材料はグラム陽性菌（S. aureus）およびグラム陰性菌（E. coli）の両方を効率的に不活化したが、暗所では有意な殺菌効果は見られなかった。
• 防氷および除氷：
  • 防氷： 太陽照射により、水滴の凍結時間は非照射条件と比較して約124.7%延長された。
  • 除氷： 形成された氷を溶かすのに必要な時間は、暗所条件と比較して、太陽照射下では約80.8%短縮された。

意義
本論文は、作製されたCuS機能化超撥水セルロースペーパーが、多用途かつ優れたプラットフォームを提供すると主張している。効率的な油／水分離に、光熱によって促進された抗菌および防氷／除氷機能を統合することで、本材料は現在の超撥水材料の決定的な限界、特に耐久性および低温または汚染環境下での性能に関する課題に対処している。著者らは、この設計が、過酷な条件下での効率的な油吸収と水浄化を実現するための新しい経路を提供すると述べており、オイルスピル対策や水処理における現実的な産業応用において非常に有望であるとしている。豊富で再生可能なセルロースと、低コストで無毒な成分の使用は、スケーラブルな実装への可能性をさらに支持している。