南京林业大学付宇教授团队：仿生木材多维结构构建集成超弹光热MXene气凝胶解决高粘度原油泄漏

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编者按

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作为地球上最重要的能源之一，原油约占世界石油储量的40%，随着原油被不断的开发与利用，接踵而来的就是海上原油的泄漏，从而造成海洋水体环境的污染，同时也对海洋生物与海洋生态造成了极大的危害。因此，如何处理高粘度原油泄漏成为当前科研人员的研究热点。气凝胶具有密度低、孔隙率高、化学稳定性好、比表面积高等优点，在选择性吸油、自清洁等领域有着广泛的应用。但是到目前为止，气凝胶由于结构的脆弱，其力学性能普遍较差，并且对超高粘度的类固体原油（粘度>1000 mpa⋅s）的吸附性能低仍然限制了其广泛应用。因此，开发结构与功能一体的具备优异力学性能和优异吸附能力的功能气凝胶以处理海上泄漏的高粘度原油仍然是一个挑战。

南京林业大学付宇教授团队一直从事生物质资源的高附加值利用和仿生智能界面材料的研究和发展。尤其基于功能化生物质基元体和高分子的复合来发展多组元多功能耦合的新体系，从而探讨其在环境、能源、力学功能领域的应用，满足日益增长的材料的功能和性能需求。基于团队先前采用功能化纤维素的路径从而实现仿生多功能材料的构建（Composites Science and Technology 201 (2021) 108524；Cellulose 27,10241–10257(2020)）。最近，该团队受木材仿生思维启发，基于液相冷冻共组装技术来发展可控的内在拓扑形貌和可设计分子功能网络的一体化策略来解决气凝胶材料的力学结构不稳定和功能适应性的矛盾，并且应用于超高粘度类固体原油的吸附处理。采用功能化纳米纤维素原位分散MXene在聚氨酯体系中组装功能和性能二维叠加网络；通过冷冻模板技术，调控冷冻工艺，通过后交联策略实现了木材多维孔道仿生结构的复刻。并且对这种仿生可编程的复合气凝胶进行了功能的探索，阐述了仿木材形貌的构效关系。由于存在内部仿生木材多维孔道网络结构，该气凝胶具备优异的压缩回弹性能（压缩回弹100次后依旧保持76.2%回复率），并且具备稳定的超疏水性质（152°）、优异的光热转换能力和杰出的吸油能力（60.2 g/g）。由于其多维孔道多重反射和MXene优异的光捕获能力，实现了在光热条件下高效快速吸附高粘度重油 (25 g/g的吸附能力和76.2% 的5次循环能力)。该工作为开发新型具有仿生多功能结构的气凝胶提供了新思路，可用来设计复杂的多层结构从而满足多功能应用（Chemical Engineering，2020）。

研究人员首先采用机械化学法合成硅烷功能化的纤维素纳米晶，原位搭载分散MXene二维纳米片后通过与聚氨酯进行定向冷冻组装，控制冷冻工艺参数并且后交联制备仿生木材多维孔道结构的气凝胶（图1）。研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）分析研究了多元气凝胶的微观结构。结果显示，得益于冰晶定向的生长，气凝胶内部为层状多级孔道结构，并且Mapping证实MXene在聚氨酯基体内分散均匀，这也解释了该气凝胶优异的吸油能力和杰出的机械稳定性。得益于仿生桥连和多维层状结构，该气凝胶表现出优异的力学超弹性，100次压缩循环之后依旧能保持76.2%的高度回复率，优于大多数报道的气凝胶材料。

由于硅烷官能化纳米纤维素为疏水性的交联剂协同气凝胶的多级表面结构降低了材料表面自由能。气凝胶也表现出温度稳定的超疏水特性，气凝胶在室温以及80℃高温下依旧保持152°的稳定的水接触角，可以应用于高效快速油吸附。其对大多数类型的油类和有机溶剂都保持较好的吸附能力。于此同时气凝胶的多维结构和高分散性的MXene赋予其优异的光热转换能力，在1 kW/m² 光照射下120 s，表面温度能达到65 ℃。

根据以上结果，研究人员希望将这种气凝胶应用于吸附超高粘度类固体重油。科研人员将渤海油田开采的超高粘度原油进行实验，可以发现通过加热的方式可以显著降低重油的粘度。因此，将光热辅助气凝胶使得气凝胶表面温度极大提高可以降低重油粘度从而达到对重油快速吸附的效果。基于以上理论，研究人员搭建了一套光热辅助气凝胶吸附超高粘度重油的装置，并对其吸附速度和效率进行了深入的研究。研究发现随着温度的升高，气凝胶对于重油的吸附能力也极大的提高，在一个太阳光照下10 s后就能将一滴重油液滴吸附到气凝胶的多孔结构重，并且5 min 后最高能吸附25 g/g的重油。循环测试性能表面经历5次循环后依旧能达到76%的吸附效率。这种优异的吸附重油能力可以解释为两种原因：(1)仿生木材径向多级孔道结构("低曲折效应")，使液体能够在气凝胶内部快速运输；(2)分散均匀的MXene赋予气凝胶显示出杰出的光热转换能力，这极大地提高气凝胶的表面温度，降低了原油的粘度。协同效应促进了这种仿生木材结构的气凝胶显示出优异的重油吸附能力。更为重要的是，研究人员搭建了一套连接真空泵持续光热辅助持续吸油的概念性证明也证实有望应用与实际生产当中。

以上相关成果分别发表在Chemical Engineering Journal；Composites Science and Technology 201 (2021) 108524 和Cellulose (2020) 27:10241–10257上。论文的第一作者为南京林业大学材料科学与工程学院博士生蔡晨阳，通讯作者为付宇教授。

以上工作得到了国家自然科学基金（编号：31770608），江苏省特聘教授基金（苏教室 [2016]20）以及江苏省研究生创新计划（编号：KYCX19_1087）的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127772

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108524

https://doi.org/10.1007/s10570-020-03484-0

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