北京林业大学马明国教授《JCIS》：基于Joule热和光热的MXene增强木海绵用于快速原油吸附

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石油泄漏给生态环境和国民经济造成不可估量的损失，燃烧、重力分离、撇油器、生物降解、化学乳化等治理方法存在低效、费用高，甚至产生二次污染等局限性。石墨烯、碳纳米管、多巴胺等对商用海绵包覆后采用光热、电热辅助技术使复合材料表现出良好的原油吸附性能。由于原油存在粘度大、处理及再生困难等问题，开发可原位发热的生物质功能复合材料仍然非常具有挑战性。

鉴于此，北京林业大学马明国教授团队报道了一种基于二维材料MXene和绿色生物质材料木海绵的新型功能复合材料PDMS@WSM，该复合材料展现出优异的Joule热和光热转换性能，在原油吸附及回收上具有出色的表现。相关工作以“Novel Ti₃C₂T_x MXene wrapped wood sponges for fast cleanup of crude oil spills by outstanding Joule heating and photothermal effect”为题发表在胶体与界面研究领域国际期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。

PDMS@WSM 复合材料利用焦耳热和光热治理原油泄漏示意图

PDMS@WSM复合材料由木海绵、MXene和PDMS(聚二甲基硅氧烷)组成。木海绵通过对木材进行化学处理去除半纤维素、木质素得到纤维素框架，MXene通过对MAX进行酸刻蚀后得到，两者复合后再经PDMS疏水处理即得PDMS@WSM复合材料。该复合材料表现出优异的压缩循环性和疏水性。

PDMS@WSM复合材料的电热和光热性能

研究发现，PDMS层不影响PDMS@WSM热转化性能。在6 V电压下可以快速升温至168.6 ℃，在2.0 KW/m²的光照下可以快速升温至82.1 ℃，原位产生的温度可显著降低原油的粘度从而提高吸附效率。PDMS@WSM复合材料具有稳定的电热循环性。在4 V的工作电压下可在70 s内快速吸附1.5 mL的原油，可在6 分钟内饱和吸附11.2×10⁵ g m^-3原油。吸附饱和的PDMS@WSM可在10 V电压下通过机械挤压快速回收原油。通过自组装的“自热抽滤器”可持续地分离油水混合液，原油收集效率达250 mL/m²/min。PDMS@WSM复合材料具有稳定的光热循环性。在1.5 KW/m²的光照下可在64 s内快速吸附1.5 mL的原油，可在8 mins内饱和吸附10.6×10⁵ g m^-3原油。吸附饱和的PDMS@WSM可在2 KW/m²的光照下通过机械挤压快速回收原油。

PDMS@WSM在光热辅助下的原油吸附性能

PDMS@WSM复合材料具有高效、快速和低能耗的原油吸附性能，在循环吸油、持续吸油上表现出色，结合优异的光热、电热转换性能可全天候处理原油泄漏。以木海绵为生物质吸附基底，相比商用海绵更具环境友好性，相比纤维素气凝胶更具循环使用性。PDMS@WSM拓宽了木基材料和MXene二维材料的应用领域，除了原油泄漏治理，该复合材料在能量管理、海水淡化上也极具潜力。

论文的第一作者为北京林业大学材料科学与工程学院博士研究生汪培林。该研究工作得到了国家重点研发计划、新疆兵团创新发展支撑计划以及北京林业大学杰出青年人才培育计划等项目的大力支持。

全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979721013205

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