中科大俞書宏Nature Nanotechnology重磅：原油泄露噩夢的終結者——石墨烯包覆的海綿！

【引言】

原油泄漏事件的頻繁發生，不僅長期危害海洋生態系統而且造成資源的浪費。清理泄漏到海面上的高粘度原油一直是個世界性難題。目前，具有疏水親油性質的多孔吸附劑有望解決這一問題，但該類吸附劑面臨的最大難題是難以快速吸附高粘度的原油。發展一種能快速吸附高粘度浮油的疏水親油吸附劑是問題的關鍵所在。

【成果簡介】

中國科學技術大學俞書宏（通訊作者）團隊在解決疏水親油吸附劑快速吸附高粘度原油這一世界性難題方面取得了突破性進展，并于北京時間2017年4月4日在Nature Nanotechnology上發表——題為“Joule-heated graphene-wrapped sponge enables fast clean-up of viscous crude-oil spill”。該成果亮點為：為吸附劑—包裹石墨烯的海綿（GWS）—提供焦耳熱，降低了原油粘度并提高原油吸附速率（吸附時間降低了94.6%）。當天，Nature Nanotechnology的News & Views欄目以“Oil spill recovery: Graphene heaters absorb faster”為題對該成果進行了詳細報道, 評價稱：“原位調節石油流變性并最終實現石油的快速清理是一個原創性的概念，開啟快速清理水面高粘度浮油的新紀元。采用類似的策略，我們可以想象，未來的智能復合材料還可以吸附乳化的高粘度石油以及水下超重質石油或者瀝青。”?Nature的Research Highlights欄目以“Hot graphene sponge mops up oil fast” 為題將該工作選為研究亮點。

【圖文導讀】

圖 1. 焦耳熱輔助GWS快速清理水面高粘度原油的示意圖

紅色代表石墨烯包覆涂層的溫度逐漸升高，暗棕色代表未被加熱的高粘度原油，亮棕色代表原油被加熱后粘度降低。

圖 2. GWS的制備及其焦耳熱效應

a. 制備GWS流程示意圖；

b. 兩個包覆氧化石墨烯（RGO）的三聚氰胺（MS）海綿（MS@RGO）的塊材具有導電性和疏水性（內置小圖表明水接觸角為~131。）；

c.不同電壓下MS@RGO（2.6 × 2.3 × 0.8 cm³）的電阻以及表面溫度的變化（在轉換工作電壓之前使樣品冷卻至室溫）；

d. 高粘度原油的照片（中國石油大學提供）；

e. 當未加電壓（上）和加電壓（下）時，一滴原油在MS@RGO表面的滲透行為對比。

圖3.?焦耳熱效應對吸附原油的動力學影響

a. 單位面積GWS吸附的原油重量（m_s）與時間的平方根（t^1/2）的關系，環境溫度20℃；

b. 液體吸附因子（Ks∝a圖曲線斜率）與原油溫度的關系以及其表面張力（γ）與其粘度（μ）之比的平方根（[γ/μ]^1/2，來源于e圖）和原油溫度的關系；

c. 原油密度（d_l）與原油溫度的關系以及原油溫度與RGO接觸角（θ）的關系（海綿孔內原有接觸角與RGO接觸角相近）；

d.d_l[cosθ/2]^1/2與原油溫度的關系；

e. 原油表面張力（γ）、其粘度（μ）和原油溫度的關系；

f. 在單位面積MS@RGO能量密度不同（即焦耳熱量不同）情況下，吸附的原油重量（m_s）與時間的平方根（t^1/2）的關系，環境溫度20℃，t_s表示原油飽和吸附時間。

?圖4.?熱量分布對吸附劑的熱能利用率的影響

a. 不同電極結構下，在GWS-x和GWS-MS-x上模擬的溫度分布，x表示電極高度，樣品厚度5mm，電量輸入為0.094Wcm^-3，環境溫度24℃；

b. 實驗結果與a圖的模擬結果相符；

c. 測量原油吸附劑下沉速度和油/水界面以下的水溫變化的裝置示意圖；

d. 當電量輸入為0.16Wcm^-3時，GWS-x和GWS-MS-x的吸油時間隨著電極厚度的變化而變化；

e. 當電極厚度不同時，GWS-x和GWS-MS-x上有不同的最大電量（逐漸增大電量直至聞到燒焦的味道，此時電量為P_max）；

f. 當電量為Pmax時，GWS-x和GWS-MS-x上原油吸附時間與電極厚度的關系；

g. 當條件為GWS-x-P_max和GWS-MS-x-P_max時，電能與原油吸附時間的關系；

h. 當條件為GWS-MS-10-P_max時，在原油吸附過程中模擬的傳熱過程。

圖 5. 焦耳熱對油回收速度的影響

a,b. 在25℃和75℃下，通過擠壓GWS（材料應變從0~75%）回收高粘度原油的情況；

c,d. 利用泵吸GWS法，連續收集水面高粘度原油，操作電壓為0V和17V。

【小結】

該團隊設計的這種焦耳自加熱吸附劑設計實現了快速清理海上高粘度原油的世界性難題。通過模擬優化結構設計，將焦耳熱集中于GWS表面可有效降低電耗量（65.6%）以及RGO損耗量（50%）。這一研究成果將為高粘度原油泄漏的高效清理與回收提供新的方向。

文獻鏈接：Joule-heated graphene-wrapped sponge enables fast clean-up of viscous crude-oil spill?(Nature Nanotechnology,?2017,?DOI: 10.1038/nnano.2017.33)

NEWS AND VIEW鏈接：Oil spill recovery: Graphene heaters absorb faster?(Nature Nanotechnology,?2017,?doi:10.1038/nnano.2017.63)

Nature Research Highlights鏈接：

http://www.nature.com/articles/n-12193718?(Nature Nanotech. (2017))

?本文由材料人編輯部納米學術組Mr_PSP供稿，材料牛編輯整理。

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