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  中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室、化學與材料科學學院俞書宏教授課題組在高粘度浮油吸附材料設計上取得突破性進展，首次將焦耳熱效應引入到多孔疏水親油吸油材料中，設計并研制出可快速降低水面上原油粘度的石墨烯功能化海綿組裝體材料和連續收集環境中泄漏的原油的收集裝置，大幅提高了吸油材料對高粘度浮油的吸附速度，顯著降低了浮油清理時間。該成果以“Joule-heated graphene-wrapped sponge enables fast clean-up of viscous crude-oil spill”為題，4月3日在線發表在《自然-納米技術》雜志上 (Nat. Nanotechnol. 2017, DOI:10.1038/NNANO.2017.33. Front Cover)。

  海上原油泄漏不僅給生態環境帶來災難性的破壞，還會造成巨大的經濟損失。然而，原油泄漏所產生的水面浮油具有面積大、油層薄、粘度大等特點，難以采用傳統的技術和材料來有效地處理。撇油船在圍油欄的配合下能夠處理的浮油面積非常有限，并且回收的浮油中含水量大；向原油泄漏區域播撒分散劑也僅能將部分浮油分散到水體中，而形成的原油乳液顆粒依然會威脅到海洋生物的生存環境；直接引燃浮油會引發嚴重的空氣污染，同時會造成浮油泄漏區域缺氧。近年來，多孔疏水親油材料因其具有成本低、油水分離效率高、操作簡單、環境友好等諸多優勢，逐漸受到研究人員的重視。然而，多孔疏水親油材料僅對低粘度油品具有較高的吸附效率，而對水面原油泄漏的清理回收非常困難。因為原油的粘度比較大，即使是低粘度的原油，在泄漏后的短短幾小時內，粘度就會增加數百倍以上，使多孔疏水親油材料難以將浮油快速吸附到內部，降低多孔疏水親油材料的利用率和浮油清理的速度。因此，為了促進多孔疏水親油材料在海上浮油清理領域的廣泛應用，迫切需要解決高粘度浮油在多孔疏水親油材料內部擴散慢的難題。

圖一：焦耳熱輔助石墨烯修飾的海綿快速吸附高粘度浮油示意圖

  俞書宏教授課題組自2012年以來，持續開展了高性能碳基組裝體吸油材料的設計與制備方法研究。他們首次將石墨烯的焦耳熱效應和石墨烯的疏水親油特性集成到多孔吸油材料上，設計出具有原位加熱和油水分離功能的石墨烯功能化海綿，在保持較高油水分離效率的情況下，大幅提高了多孔疏水親油材料對高粘度浮油的吸附速度（圖一）。首先，他們采用離心輔助浸漬涂覆技術，在商業海綿表面均勻地包裹上石墨烯涂層，得到的經石墨烯修飾后的海綿不僅導電，還具有疏水親油特性。他們研究發現，在這種經石墨烯功能化后的海綿上施加電壓后，產生的焦耳熱會迅速增加與其接觸的原油溫度，有效降低了與之接觸的原油的粘度，從而提高原油在石墨烯功能化海綿內部的擴散系數，最終使得經石墨烯功能化海綿能夠快速吸附水面上高粘度原油（圖二）。為提高電能的利用效率，他們將加熱區域限制到石墨烯功能化海綿的底部，頂層的海綿和水面的浮油相當于隔熱層，緩解熱量向空氣和水體中擴散，提高熱量向原油傳遞的效率（圖三）。在這種限域加熱設計下，電能消耗降低了65.6%，石墨烯的用量降低了50%，吸油時間也只有常溫石墨烯海綿的5.4%。此外，他們還提出陣列電極設計，證明了這種焦耳熱輔助多孔疏水親油材料吸油技術可以實現工業化生產。這種陣列電極設計，使大面積石墨烯修飾的海綿在較低的通電電壓下，依然可以加熱到很高的溫度，這對該技術將來走向商業化有著重要的意義。

圖三：石墨烯海綿溫度分布場對電能利用效率的影響。a. 具有不同電極結構（GWS-x）和石墨烯涂層（GWS-MS-x）的石墨烯修飾的海綿，在相同通電功率下的溫度分布場模擬計算結果。b. 與圖a相對應的實驗結果。c.石墨烯修飾的海綿吸油速度測試裝置示意圖。d.在相同輸入電功率密度下，電極結構和石墨烯涂層的分布對石墨烯修飾的海綿吸油速度的影響。e.具有不同電極結構和石墨烯涂層的石墨烯修飾的海綿所能承受的最大通電功率。f.加熱區域厚度調控。g. 不同溫度場的石墨烯修飾的海綿的吸油時間同輸入電能的關系。h.石墨烯修飾的海綿（GWS-MS-10-Pmax）吸油過程中的熱量傳遞模擬計算結果。

  Nature Nanotechnology雜志News & Views欄目配發了題為“Oil spill recovery: Graphene heaters absorb faster”的評論，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雜志在Research Highlights欄目以“Hot graphene sponge mops up oil fast”為題，將該工作選為研究亮點。該工作將于5月份以封面論文形式正式發表。

  這項研究開創了浮油吸附材料設計的新路徑，解決了以往多孔疏水親油材料對高粘度浮油吸附速度慢的難題，提出的界面加熱降低原油粘度的原創技術在石油化工業中的油水分離領域也有著廣泛的應用前景。該研究提出的可加熱經石墨烯功能化后的海綿組裝體材料，經優化材料和結構可進一步降低材料成本和電能消耗，有望在今后應對海上原油泄漏事故處置中獲得廣泛的應用。 

  該工作得到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點基金、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院科技服務網絡計劃項目、國家重大科學研究計劃、蘇州納米科技協同創新中心、中國科學院納米科學卓越中心、合肥大科學中心卓越用戶基金、中央高校基本科研業務費專項等資助。 

  論文鏈接：http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.33.html