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近年来，基于贻贝仿生的表/界面改性技术在水处理领域得到了广泛的应用。近期本课题组开发了单宁酸(TA)-3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)涂层(TA-APTES涂层)，该涂层具有类似聚多巴胺(PDA)的优异粘附性，同时具有PDA所不具备的丰富的微纳结构，有利于制备性能优异的功能材料。此外，TA和APTES价格低廉，有利于工业应用。在上述基础上，本论文进一步研究了TA-APTES涂层的二次反应活性、稳定性及其在水处理方面的扩展性应用。
涂层的二次反应活性对涂层的扩展性应用具有重要意义。因此，我们首先考察了涂层的二次反应活性，并在此基础上制备了多种水处理用功能材料：吸附材料、催化材料、油水分离材料。结果表明：TA-APTES涂层表面含有大量的酚羟基和少量的氨基，具有类似于PDA涂层的二次反应活性，为该涂层的进一步功能化制备多种功能材料提供了良好的平台。我们选取了PDA涂层作为对比，利用同样的二次改性方法和步骤，分别制备了TA-APTES涂层和PDA涂层的功能材料。研究表明：在相同条件下，基于TA-APTES涂层所得的功能材料的性能远优于PDA涂层的材料，具体对比结果如下:(1)通过TA-APTES涂层与含有大量氨基的聚乙烯亚胺反应制得的吸附材料对玫瑰红、甲基蓝、橙黄G、苋菜红比同样处理后的PDA基吸附材料性能分别高出80.1%，96.2%，86.1%，98.6%；(2)基于TA-APTES涂层原位还原银离子制得的载银纳米颗粒催化材料可以在10min使4-硝基苯酚转换为4-氨基苯酚，效率达98%，而在相同条件下载银的PDA基催化材料只能实现60%的转化；(3)TA-APTES涂层与十八烷基三甲氧基硅烷(ODS)反应后可直接转化为超疏水涂层(水接触角大于150°，滚动角低于10°)，可实现油水混合物的高效分离；而同样处理后的PDA涂层不具备超疏水性(水接触角仅为100°左右)，不能很好的分离油水混合物。进一步研究分析发现，TA-APTES涂层特有的大量纳米小球组成的粗糙表面为吸附和催化过程提供了更多的反应界面，而粗糙表面导致的大量微纳结构为制备超疏水表面提供了前提，最终赋予所得功能材料更为优异的性能。
涂层的稳定性对涂层的实际应用至关重要，因此我们进一步研究了TA-APTES涂层的稳定性。TA-APTES涂层暴露在空气中一段时间后(30天左右)，将失去其超亲水性和水下超疏油性；此外，在酸性溶液(pH≤3)或碱性溶液(pH≥12)中，TA-APTES涂层将会逐渐分解。通过系列表征揭示了TA-APTES涂层稳定性变差的原因：(1)当TA-APTES涂层在空气中长时间放置时，涂层表面的酚羟基逐渐被氧化为醌，导致涂层亲水性降低，失去超亲水和水下超疏油性；(2)当TA-APTES涂层处于酸性环境中时，涂层中的氨基被质子化，而带正电，随着pH值的降低，质子化程度愈加严重，导致涂层内部的静电排斥力增大，最终会克服涂层内部的分子间作用力及氢键，导致涂层分解；同理，当涂层处于碱性环境中时，涂层中的部分酚羟基会去质子化，导致带负电而产生静电排斥力，随着碱性增强，去质子化增强，导致静电排斥力增强，最终克服涂层内部分子间作用力和氢键而分解。基于以上发现，我们提出了利用三价铁离子处理提高了TA-APTES涂层稳定性的有效策略。三价铁离子可以和涂层中的酚羟基以及氨基络合，有效抑制酚羟基的氧化，降低氨基在酸性环境中的质子化和酚羟基在碱性中的去质子化，最终大幅提高涂层在空气中和酸碱溶液中的稳定性：经过三价铁离子处理后的涂层在空气中暴露1个月或在强酸性或碱性溶液中浸泡48小时，依然能保持其优异的防油污性能和良好的油水分离性能，且涂层特有的微纳结构不会被破坏。
我们进一步利用(TA-APTES)-Fe(Ⅲ)将PVDF膜、纤维尼龙、海绵、棉花、木材、滤纸等材料转化太阳能海水淡化用的光热复合材料。以(TA-APTES)-Fe(Ⅲ)涂层修饰后的海绵为例：该复合光热材料在250-2500nm波长范围内具有极高的光吸收特性(＞90%)。其在一个太阳光照强度下(1kWm-2)的纯水蒸发量可达1.43kgm-2h-1，光热转化效率达到87％。我们考察了其对模拟海水的脱盐能力，所收集冷凝水的纯度超过了国际饮用水标准。此外，该(TA-APTES)-Fe(Ⅲ)涂层还可赋予光热材料优异的抗油污染性能，使其处理含油废水时仍可保持稳定的水蒸发效率。并且，基于(TA-APTES)-Fe(Ⅲ)涂层所得的光热材料具有较强的稳定性，能够耐酸、耐碱，耐冲洗，耐循环冻融。更为重要的是(TA-APTES)-Fe(Ⅲ)涂层具有优异的普适性(可负载于各种材料表面)，便于光热材料结构设计，从而进一步提高其水蒸发效率。我们利用该涂层制备了木基光热材料，并通过设计不同的结构使其水的蒸发速率从1.43kgm-2h-1提高至1.8kgm-2h-1(在一个太阳光照强度下)，远高于目前已报道木基光热材料的性能。
涂层的二次反应活性对涂层的扩展性应用具有重要意义。因此，我们首先考察了涂层的二次反应活性，并在此基础上制备了多种水处理用功能材料：吸附材料、催化材料、油水分离材料。结果表明：TA-APTES涂层表面含有大量的酚羟基和少量的氨基，具有类似于PDA涂层的二次反应活性，为该涂层的进一步功能化制备多种功能材料提供了良好的平台。我们选取了PDA涂层作为对比，利用同样的二次改性方法和步骤，分别制备了TA-APTES涂层和PDA涂层的功能材料。研究表明：在相同条件下，基于TA-APTES涂层所得的功能材料的性能远优于PDA涂层的材料，具体对比结果如下:(1)通过TA-APTES涂层与含有大量氨基的聚乙烯亚胺反应制得的吸附材料对玫瑰红、甲基蓝、橙黄G、苋菜红比同样处理后的PDA基吸附材料性能分别高出80.1%，96.2%，86.1%，98.6%；(2)基于TA-APTES涂层原位还原银离子制得的载银纳米颗粒催化材料可以在10min使4-硝基苯酚转换为4-氨基苯酚，效率达98%，而在相同条件下载银的PDA基催化材料只能实现60%的转化；(3)TA-APTES涂层与十八烷基三甲氧基硅烷(ODS)反应后可直接转化为超疏水涂层(水接触角大于150°，滚动角低于10°)，可实现油水混合物的高效分离；而同样处理后的PDA涂层不具备超疏水性(水接触角仅为100°左右)，不能很好的分离油水混合物。进一步研究分析发现，TA-APTES涂层特有的大量纳米小球组成的粗糙表面为吸附和催化过程提供了更多的反应界面，而粗糙表面导致的大量微纳结构为制备超疏水表面提供了前提，最终赋予所得功能材料更为优异的性能。
涂层的稳定性对涂层的实际应用至关重要，因此我们进一步研究了TA-APTES涂层的稳定性。TA-APTES涂层暴露在空气中一段时间后(30天左右)，将失去其超亲水性和水下超疏油性；此外，在酸性溶液(pH≤3)或碱性溶液(pH≥12)中，TA-APTES涂层将会逐渐分解。通过系列表征揭示了TA-APTES涂层稳定性变差的原因：(1)当TA-APTES涂层在空气中长时间放置时，涂层表面的酚羟基逐渐被氧化为醌，导致涂层亲水性降低，失去超亲水和水下超疏油性；(2)当TA-APTES涂层处于酸性环境中时，涂层中的氨基被质子化，而带正电，随着pH值的降低，质子化程度愈加严重，导致涂层内部的静电排斥力增大，最终会克服涂层内部的分子间作用力及氢键，导致涂层分解；同理，当涂层处于碱性环境中时，涂层中的部分酚羟基会去质子化，导致带负电而产生静电排斥力，随着碱性增强，去质子化增强，导致静电排斥力增强，最终克服涂层内部分子间作用力和氢键而分解。基于以上发现，我们提出了利用三价铁离子处理提高了TA-APTES涂层稳定性的有效策略。三价铁离子可以和涂层中的酚羟基以及氨基络合，有效抑制酚羟基的氧化，降低氨基在酸性环境中的质子化和酚羟基在碱性中的去质子化，最终大幅提高涂层在空气中和酸碱溶液中的稳定性：经过三价铁离子处理后的涂层在空气中暴露1个月或在强酸性或碱性溶液中浸泡48小时，依然能保持其优异的防油污性能和良好的油水分离性能，且涂层特有的微纳结构不会被破坏。
我们进一步利用(TA-APTES)-Fe(Ⅲ)将PVDF膜、纤维尼龙、海绵、棉花、木材、滤纸等材料转化太阳能海水淡化用的光热复合材料。以(TA-APTES)-Fe(Ⅲ)涂层修饰后的海绵为例：该复合光热材料在250-2500nm波长范围内具有极高的光吸收特性(＞90%)。其在一个太阳光照强度下(1kWm-2)的纯水蒸发量可达1.43kgm-2h-1，光热转化效率达到87％。我们考察了其对模拟海水的脱盐能力，所收集冷凝水的纯度超过了国际饮用水标准。此外，该(TA-APTES)-Fe(Ⅲ)涂层还可赋予光热材料优异的抗油污染性能，使其处理含油废水时仍可保持稳定的水蒸发效率。并且，基于(TA-APTES)-Fe(Ⅲ)涂层所得的光热材料具有较强的稳定性，能够耐酸、耐碱，耐冲洗，耐循环冻融。更为重要的是(TA-APTES)-Fe(Ⅲ)涂层具有优异的普适性(可负载于各种材料表面)，便于光热材料结构设计，从而进一步提高其水蒸发效率。我们利用该涂层制备了木基光热材料，并通过设计不同的结构使其水的蒸发速率从1.43kgm-2h-1提高至1.8kgm-2h-1(在一个太阳光照强度下)，远高于目前已报道木基光热材料的性能。