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

Technische Samenvatting: Ontwerp en Constructie van CuS-gefunctionaliseerd Superhydrofoob Cellulosepapier

Probleemstelling
Het artikel behandelt de toenemende milieuproblemen veroorzaakt door frequente olierampen en ongecontroleerde lozingen van oliehoudend afvalwater, die ecosystemen en de menselijke gezondheid in gevaar brengen. Ho af de gangbare behandelingsmethoden (bijv. afschepen, bioremediatie) bestaan, lijden deze vaak aan operationele complexiteit, hoge energiebehoeften en beperkte schaalbaarheid. Hoewel superhydrofobe oppervlakken (SHSs) een veelbelovend alternatief bieden voor de scheiding van olie/water, wordt hun praktische toepassing vaak belemmerd door onvoldoende mechanische stabiliteit, hoge fabricagekosten en de neiging van functionele nanodeeltjes (zoals fotothermische agentia) om van substraten af te schilferen. Bovendien missen bestaande materialen vaak geïntegreerde functionaliteiten zoals fotothermisch gestuurde antimicrobiële activiteit en anti-/ontijdingse eigenschappen, die cruciaal zijn voor operaties in barre, koude omgevingen.

Methodologie
Om deze uitdagingen aan te pakken, hebben de auteurs een multifunctioneel superhydrofoob cellulosepapier (CP) ontworpen en gefabriceerd dat gefunctionaliseerd is met koper(II)sulfide (CuS). Het fabricageproces omvatte een meerstaps modificatiestrategie:

1. Substraatvoorbereiding: Commercieel cellulosepapier (CP) diende als de milieuvriendelijke, hernieuwbare basis.
2. PDA-coating: Om het probleem van zwak interfaciaal contact tussen CuS en cellulose op te lossen, werd een polydopamine (PDA) coating aangebracht via spontane oxidatieve polymerisatie van dopamine. Dit fungeerde als een robuuste adhesielaag, geïnspireerd door mosselproteïnen.
3. CuS-depositie: CuS-nanodeeltjes werden gesynthetiseerd via een hydrothermische methode en vervolgens in-situ op het door PDA-gemodificeerde papier aangebracht. De PDA-laag faciliteerde een sterke hechting tussen de CuS-deeltjes en de cellulosevezels.
4. Hydrofobe Modificatie: Het composiet werd ondergedompeld in een octadecylamine (ODA) oplossing. De langketenige koolwaterstoffen van ODA verlaagden de oppervlaktespanning, wat de transitie naar een superhydrofobe staat voltooide.

Het resulterende materiaal, aangeduid als CP/PDA/CuS/ODA, werd gekarakteriseerd met behulp van SEM, XRD, FTIR en contacthoekmetingen. De prestaties werden geëvalueerd via olie/water scheidingstests, duurzaamheidsbeoordelingen (mechanisch, chemisch, thermisch en UV), antifouling/zelfreinigingstests en fotothermische evaluaties (inclusclusief antimicrobiële en anti-/ontijdingse capaciteiten).

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Superhydrofobiciteit en Superoleofiliteit: Het gemodificeerde papier vertoonde een watercontacthoek (WCA) van 156,4° en een vrijwel nul oliecontacthoek (OCA). Deze bevochtigbaarheid werd toegeschreven aan het synergetische effect van de hiërarchische micro/nanoruwheid geboden door PDA/CuS-clusters en de lage oppervlaktespanning van de ODA-coating.
• Olie/Water Scheiding: Het materiaal demonstreerde effectieve continue zwaartekrachtgestuurde scheiding van diverse olie/watermengsels (inclusief cyclofaan, petroleum ether, n-hexaan, dichloormethaan, chloroform en kooltetrachloride).
  • Efficiëntie: De scheidingsefficiëntie oversteeg 99,35% voor alle geteste mengsels.
  • Flux: Er werden hoge permeatiefluxen bereikt (variërend van ~8443 tot ~10034 L m⁻² h⁻¹) zonder externe druk.
  • Absorptiecapaciteit: Het papier vertoonde hoge olieabsorptiecapaciteiten (7,68–21,92 g/g) voor diverse organische oplosmiddelen en oliën.
  • Herbruikbaarheid: De scheidingsprestaties bleven stabiel over 10–20 cycli.
• Duurzaamheid: Het materiaal vertoonde een uitzonderlijke robuustheid en behield zijn superhydrofobiciteit (WCA > 150°) na:
  • 100 tape-afpelcycli.
  • 100 vouwcycli.
  • 10 schuurpapierabrasiecycli.
  • Blootstelling aan zure (pH 1) en alkalische (pH 12) oplossingen, zout water (tot 5 gew. % NaCl), UV-bestraling (12 h) en thermische behandeling (tot 100°C).
  • Langdurige opslag (5 weken) onder omgevingscondities.
• Antifouling en Zelfreiniging: Het oppervlak bood weerstand tegen contaminatie van diverse vloeibare verontreinigingen (druivensap, cola, kleurstofoplossingen) en vaste contaminanten (krijtpoeder). Waterdruppels rolden van het oppervlak af en namen vuil mee, wat een effectieve zelfreiniging demonstreerde.
• Fotothermische Prestaties: Door gebruik te maken van de fotothermische conversiecapaciteit van CuS en PDA:
  • Onder 1,0 kW m⁻² zonnebestraling bereikte het oppervlaktemperatuur van ongeveer 74,3–78,6°C binnen 60 seconden.
  • Het materiaal vertoonde uitstekende fotothermische stabiliteit over 10 licht aan-uit cycli.
• Fotothermische Antimicrobiële Activiteit: Onder lichtbestraling inactiveerde het materiaal efficiënt zowel Gram-positieve (S. aureus) als Gram-negatieve (E. coli) bacteriën, terwijl het materiaal in het donker geen significant bactericid effect vertoonde.
• Anti-ijsvorming en Ontijding:
  • Anti-ijsvorming: Zonnebestraling verlengde de bevriezings-tijd van waterdruppels met ongeveer 124,7% vergeleken met niet-bestraalde condities.
  • Ontijding: De tijd die nodig was om vooraf gevormd ijs te smelten, werd onder zonnebestraling met ongeveer 80,8% verminderd vergeleken met de donkere condities.

Betekenis
Het artikel stelt dat het gefabriceerde CuS-gefunctionaliseerde superhydrofobe cellulosepapier een veelzijdige en superieur platform biedt voor milieusanering. Door efficiënte olie/water scheiding te integreren met fotothermisch versterkte antimicrobiële en anti-/ontijdingse functionaliteiten, adresseert het materiaal kritieke beperkingen van huidige superhydrofobe materialen, specifiek met betrekking tot duurzaamheid en prestaties in omgevingen met lage temperaturen of contaminatie. De auteurs stellen dat dit ontwerp een nieuwe weg biedt voor het realiseren van efficiënte olieabsorptie en waterzuivering, zelfs onder zware omstandigheden, wat het zeer veelbelovend maakt voor realistische industriële toepassingen in olie-opruimingswerkzaamheden en waterzuivering. Het gebruik van overvloedige, hernieuwbare cellulose en goedkope, niet-toxische componenten ondersteunt verder het potentieel voor schaalbare implementatie.