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郭志光团队在原油回收利用领域取得新进展

发布时间:2024-03-07      来源:      阅读次数:

近日,必赢71886网址登录仿生摩擦课题组郭志光教授以通讯作者身份,在国际重要期刊《Journal of Hazardous Materials》和《Chemical Engineering Journal》分别发表题为《Robust mussel-inspired superhydrophobic sponge with eco-friendly photothermal effect for crude oil/seawater separation》和《Multifunctional polypyrrole/MXene-wrapped sponge with synergistic solar and joule-heating effect for efficient adsorption and all-weather recovery of crude oil》的研究成果,必赢71886网址登录为第一单位,硕士研究生杨勇为第一作者,郭志光教授为唯一通讯作者。


海上石油泄漏的发生会造成巨大的经济损失,并且严重破坏了生态平衡。然而,传统的超疏水海绵因缺乏界面加热特性而无法进行原油吸附。为了应对这些挑战,利用太阳能或者电能作为恒定的动力源,有效地利用功能化的超疏水海绵降低了原油的粘度成为了人们的关注的焦点。因此,由外部能量输入驱动的自热型超疏水海绵或已经成为一种有高效的、环保的和低成本效益的解决方案。基于绿色低碳的发展理念,该研究团队成功的分别制备了具有太阳能的单驱动模式和太阳能/电能的双驱动模式的两种类型原油吸附材料,成功地实现了高效的原油吸附与原油海水分离。


图1 光热型超疏水聚氨酯海绵的制备方法


对于单一太阳能驱动模式,该团队提出了一种受贻贝启发的超疏水海绵的制备,如图1。采用聚多巴胺包裹的TiN纳米颗粒作为光热媒介,它在水解的甲基三甲氧基硅烷溶液的作用下被自组装于聚氨酯海绵骨架表面,形成具有一定粗糙度的表面,经过PDMS修饰后成功实现了超疏水改性,并具备优异的光热转化能力和原油吸附性能。

图2 密度泛函理论计算解释自组装过程和原油吸附性能的测试


采用密度泛函理论对聚多巴胺上的官能团与聚氨酯海绵上的异氰酸酯基团之间的反应能做出合理计算,结果表明水解的甲基三甲氧基硅烷加入后会使M-NH2-PU之间的反应能会升高,说明水解的甲基三甲氧基与聚多巴胺单体上的儿茶酚基的三氢键作用为界面的快速组装提供了动力,如图2。通过氙灯模拟自然界的太阳作为光源,该材料的优异光热转化能力使上表面温度在一个太阳光强下3分钟内上升至99 ℃以上,并且在10次光照测试循环中可以保持稳定的界面加热性能。同时,该材料具有稳定的机械性能,经过200次机械挤压和多次摩擦测试后,该材料仍然具有稳定的疏水性能和光热转化性能。由于该海绵保持了高的孔隙率,它的原油吸附量可达33 g/g,保留率达80 %以上。总之,由于其低成本的原材料和简单的制造方法,结合其机械稳定性、优异的吸附能力和光热转换性能,该海绵在实际应用方面具有很高的吸引力。

图3 光热/电热型超疏水三聚氰胺海绵的制备


然而,以上工作只能实现在日间的原油回收,具有一定的时间局限性。基此,为了实现日间和夜间的全天候回收过程,该团队利用物理-化学交互的方法在三聚氰胺海绵上成功地负载了聚吡咯和MXene纳米材料,经过PDMS修饰后成功地实现了超疏水改性,该材料展现出了优异的光/电热的协同效应和高效的原油回收能力,如图3。


图4 光热、电热性能的测试结果和真空协助原油吸附过程


该原油吸附材料同时具有优异的光热和电热转化能力,分别为在一个太阳光强下,材料的上表面温度可以上升至78 ℃左右;在5 V电压下,它的上表面温度可以达到62 ℃左右。特别地,相比于其他材料而言,该材料可以在5 V电压下展现出更高的温度上升。同时,在10次循环测试中,该材料展现出稳定的光热和电热转化能力。重要的是,该材料在双能量驱动模式下,可以实现更高的表面温度,这为实现高效的原油吸附能力提供了协同增强效应,如图4。结果表明,在3分钟内可将上表面的最高温度提升至87 ℃和10分钟内该材料可将原油的吸油量提高至14 g左右。此外,由于聚吡咯和MXene的物化特性,使得该海绵具有较高的热稳定性和阻燃特性。因此,这种功能化的原油吸附剂在处理海上原油泄漏方面具有广阔的前景。


郭志光教授多年来在仿生摩擦学领域研究,取得了系列进展。现任Bio-design and Manufacturing, Journal of Bionic Engineering 和Friction杂志副主编,兼任Chen. Letter.、Biosurface and Biotribology、摩擦学学报、中国表面工程等杂编委,主持承担国家自然科学重点基金项目、优秀青年科学基金项目和面上项目等。在Chem. Soc. Rev.,JACS,Adv. Mater.和摩擦学报等国内外刊物发表学术论文500余篇,SCI引用2万多次,H因子75。出版中英文专著各一部。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.132592

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149927

(审稿:陈亮)