浙江大学郑强教授与太原理工大学朱凤博副教授团队：粉煤灰“变废为宝”，打造强韧水凝胶工业化新方案
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（CHs）领域取得突破性进展，通过创新性地利用煤炭燃烧的固体废弃物——粉煤灰（Fly Ash，简称FA）作为一种低成本、可持续的填料，开发出一种在室温条件下即可实现快速、规模化制备的新型复合水凝胶系统。相关研究成果以“Alkali-activated fly ash catalyzed sustainable and scalable production of tough composite hydrogels toward versatile applications”为题，发表于国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》（DOI：10.1016/j.cej.2026.174270）。该论文第一作者为硕士研究生师小雯，通讯作者为郑强教授与朱凤博副教授。本研究工作获得国家自然科学基金及山西省自然科学基金的资助。
一直以来，面向工业应用（如钻孔密封、快速粘接）的复合水凝胶设计都面临两大挑战：难以规模化生产，以及生产过程通常需要外加热或紫外线照射等高能耗方式。而此项研究的核心创新，便是用“粉煤灰”这一全球年产量超十亿吨、利用率却不足半数的工业固废，巧妙解决了上述难题。
🔬 核心突破：无需外供能量，“一键触发”室温固化
研究团队发现，将碱（NaOH）激活的粉煤灰与单体、交联剂及常规热引发剂KPS混合后，混合物能在常温空气中自发、快速地进行自由基聚合反应，整个过程无须任何外部能量输入。
- 超快凝胶速度：以丙烯酰胺（AAm）体系为例，含有碱活化FA的前驱液可在5分钟内发生胶凝，并在10分钟内完全凝胶化。
- 优异规模拓展性：该方法对氧气不敏感，成功实现了从7毫升到7升的线性放大制备，证明了其巨大的工业级生产潜力。
- 对比显著：不含FA或碱的对照组，均无法实现这种快速自发聚合，表明FA与碱的协同作用是关键。
⚙️ 揭秘背后的双重机理：释放热量 + 催化自由基
团队通过等温量热、电子顺磁共振等分析手段，揭示了碱激发粉煤灰快速催化聚合的机制：
- “自产热”驱动：碱液能够溶解FA颗粒表面的氧化层，该过程会释放大量的热。这部分热量直接降低了引发剂KPS分解所需的能量壁垒。
- 催化自由基生成：FA本身含有的微量金属元素（如Fe、Ti等），在碱活化状态下，能够高效促进KPS分解，从而在体系中产生大量自由基。
正是“热释放降能垒”与“催化促分解”的双重效应，在室温下触发了乙烯基单体的高速自由基聚合。更巧妙的是，研究人员可以通过简单地调节NaOH的浓度，对体系的凝胶时间（从2分钟到20分钟不等）进行精确控制。
💪 力与美的结合：性能大幅跃升，可逆性强
除了催化功能，粉煤灰的加入还极大地增强了水凝胶的本体力学性能。
- 与纯凝胶（PAAm网络）相比，FA复合凝胶在断裂应变上提升了5倍（达到756%）。
- 而在断裂应力和撕裂能这两个关键力学指标上，更是实现了近10倍的数量级提升（分别达到207 kPa和210 J/m²）。
- 这源于FA颗粒与高分子网络链间形成的物理相互作用，在凝胶变形时能提供额外的能量耗散能力，使材料变得极其强韧。例如，复合凝胶可以承受超过95%的压缩应变，并在外力撤去后迅速恢复原状。
🌍 应用潜能广阔：从胶粘剂到矿井安全
得益于这种可室温操作、快速固化、便于规模化的特点，以及优异的本体性能，该粉煤灰基复合凝胶体系在多个工业场景展现出巨大应用潜力。
- 高性能环保胶粘剂：凝胶前驱液可直接涂覆于木材、金属、玻璃等基材表面，实现室温下的快速、牢固粘接。
- 土壤固化与地质工程：将其注入松散砂粒模型中，可在原位胶凝并牢固固定土壤或岩石颗粒。
- 钻孔快速密封：特别适合煤炭开采等工程场景。凝胶前驱液注入孔道后能原位快速固化，甚至在透明管道实验模型中可迅速建立接近真空的密封环境，展现出极高的实用价值。
💡 结语与展望
这项研究“变废为宝” ，将粉煤灰这种大宗工业固体废弃物，转变成为制备高性能复合水凝胶的高效、低成本的催化填料与增强相。它不仅为解决全球性的粉煤灰处置问题提供了一条新的高价值资源化路径，更重要的是，为面向大规模工业化应用的高性能水凝胶材料的绿色、可持续、可控化生产，提供了一个极具启发性的创新设计范式。这项工作有望推动复合水凝胶在建筑、矿业、环保等多个工业领域的深度应用与产业化进程。
该研究团队坚信，这一策略能够为下一代功能化复合材料的开发与应用，带来深远的影响。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174270
图1. 碱激发FA催化的复合凝胶的室温聚合。
图2. 碱激发FA催化快速聚合的机制。
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。
图5. 粉煤灰复合凝胶的多场景应用。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174270
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