浙大郑强/太原理工朱凤博团队 CEJ:碱激发粉煤灰催化的强韧复合水凝胶的可持续与规模化制备及其应用

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近日，浙江大学郑强教授、太原理工大学朱凤博副教授团队在复合水凝胶领域取得了重要进展。该团队开发了一种新型CHs系统，创新性地利用煤炭燃烧产生的固废颗粒——粉煤灰（FA）作为可持续且经济的填料。研究团队利用粉煤灰中丰富的微量金属元素的催化特性，结合碱的活化作用，成功实现了乙烯基单体在室温条件下的快速自由基聚合。该策略无需外部能量输入即可一步法实现强韧粉煤灰复合水凝胶的规模化制备。结果表明，通过简单地调节碱浓度即可实现对凝胶行为的调控。此外，该研究还进一步展示了这种复合凝胶在胶粘剂、快速密封等多场景下的应用潜力。这一策略不仅为粉煤灰的高值化利用开辟了新途径，也为面向工业化需求的高性能复合水凝胶的设计提供了新思路。

相关研究以“Alkali-activated fly ash catalyzed sustainable and scalable production of tough composite hydrogels toward versatile applications”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。该论文的第一署名单位为太原理工大学，硕士研究生师小雯为论文第一作者，郑强教授和朱凤博副教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金 (U22A20151, 52473018) 和山西省自然科学基金 (202403021221044) 的资助。

（1）碱激发粉煤灰催化的复合凝胶的室温聚合现象

以常见的丙烯酰胺（AAm）单体为例，当FA和NaOH溶液一并加入含有单体、交联剂、KPS的混合液后，前驱液在5min内即发生胶凝反应，10min内则完全凝胶化。值得注意的是，这种凝胶过程是在常温条件下进行的，无需外部紫外线照射或加热处理。相比之下，仅含FA或仅含NaOH的前驱液均无法自发地快速聚合。更重要的是，该系统对氧气不敏感，可在空气中轻松实现工业级原料从7mL到7L的线性放大制备，展现出卓越的规模化潜力。

图1. 碱激发FA催化的复合凝胶的室温聚合。

（2）碱激发粉煤灰催化自由基快速聚合的机理

作者通过扫描电镜、等温量热、电子顺磁共振光谱研究了碱激发粉煤灰催化自由基快速聚合的机理。结果表明，碱可以溶解粉煤灰表面的氧化层，该过程一方面伴随有热释放，从而降低常见的热引发剂过硫酸钾（KPS）分解所需的能垒；另一方面，碱激发粉煤灰可促进KPS分解并产生大量自由基，从而在无需外部能量输入的情况下引发自由基单体（如AAm）在室温条件下的快速聚合。而通过简单地调节NaOH浓度，可以实现对体系胶凝行为的调控。

图2. 碱激发FA催化快速聚合的机制。

（3）粉煤灰对复合凝胶机械性能的强韧化作用

除了催化作用，粉煤灰还可显著提升水凝胶的力学性能。相较脆而弱的PAAm单网络水凝胶，含FA的复合凝胶断裂应力及撕裂能均提升了近10倍，且该凝胶可承受超过95%的压缩应变并在外力撤除后迅速恢复原状。粉煤灰对凝胶网络的强韧化作用来自其与高分子链之间所形成的物理相互作用，由此使复合凝胶在变形过程中提供额外的能量耗散能力。

图3. 复合凝胶的力学性能。

图4. 粉煤灰对复合凝胶的强韧化作用。

（4）基于碱激发粉煤灰的复合凝胶的多场景应用

高性能粘合剂：该凝胶前驱体溶液可直接注射于木材、金属、玻璃等多种基材表面，实现室温下的快速粘接。

松散土壤或岩石固定：将凝胶前驱体溶液注入砂粒模型中，室温下即可发生原位胶凝反应并将砂砾固定。

钻孔密封：该凝胶前驱体溶液注入透明管道后，其可原位自发凝胶化，在负压下管道内可快速建立近真空环境。

图5. 粉煤灰复合凝胶的多场景应用。

结论与展望

本研究利用煤炭燃烧的固废颗粒粉煤灰为填料，结合碱对粉煤灰的活化作用，成功开发出一种在室温快速胶凝、且可以规模化制备的强韧复合水凝胶体系。其催化机制源于煤灰在碱作用下的放热溶解，以及其促进引发剂分解并产生大量自由基的协同效应。同时，粉煤灰作为增强相，有效赋予了凝胶网络优异的能量耗散能力，大幅提升了材料的力学性能。该复合凝胶体系在粘接、岩土固化及煤矿安全密封等领域展现出巨大的应用潜力。该策略不仅为粉煤灰的高值资源化利用开辟了新途径，也为面向工业应用的高性能复合水凝胶设计提供了新思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174270

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