暨南大学刘明贤教授团队 CEJ：纤维素纳米晶构筑的定向多孔碳气凝胶实现高效油水分离

2025-11-20 14:41:32 作者：高分子科技来源：高分子科技分享至：

工业含油废水排放与海上原油泄漏事件频发，使海洋生态系统和人类健康面临严峻威胁。如何开发绿色、可持续、可规模化的油水分离材料一直是环境和材料领域的研究热点。三维多孔气凝胶因其超高孔隙率、轻质以及可调控的润湿性，被广泛应用于吸油与油水分离。然而，传统材料如石墨烯、碳纳米管或MXene等虽然效率高，但存在成本高、原料不可再生等问题。此外，高黏度原油的吸收与分离仍存在巨大挑战。为实现高效、可持续且能应对高黏度油的油水分离，本研究基于天然纤维素纳米晶（CNC），构筑了具有定向排列通道结构的碳气凝胶（P-CCNCA）。该气凝胶同时具备光热效应与焦耳热效应，可显著降低原油黏度，从而提升吸油速率与油水分离效率。

本研究通过定向冷冻干燥、高温碳化和聚二甲基硅氧烷（PDMS）低表面能改性，成功构筑了一种具有定向排列微通道、轻质、导电且疏水的生物质碳气凝胶（P-CCNCA）。相较于传统随机孔气凝胶，此类“仿木材”通道结构可显著提升材料的热传导、电传导与质量传输性能，进而实现98.2-99.5%的油/水分离效率以及最高可达14,023 L/m²·h的渗透通量。该成果以“Aligned porous carbon material derived from cellulose nanocrystal for high-efficiency oil/water separation”为题发表在Chemical Engineering Journal（影响因子13.2，一区TOP）杂志上。论文通讯作者为暨南大学化学与材料学院刘明贤教授和意大利巴勒莫大学Giuseppe Cavallaro教授，第一作者为已毕业博士何韵晴（现为岭南师范学院教师）。

将不同浓度的CNC水分散液通过定向冷冻干燥技术可形成具有定向排列通道的CNCA气凝胶，随后在800℃氩气条件下碳化得到CCNCA，并进一步将其浸渍于PDMS溶液中实现表面疏水改性。图1中揭示了气凝胶在碳化前后的体积、密度与孔隙变化，以及PDMS引入后导电性与孔隙率的变化。同时，该P-CCNCA在平行于通道方向表现出更高的导电性与导热性，说明其各向异性结构为后续吸油与油水分离提供了快速通道。

图1 P-CCNCA气凝胶的制备流程与关键结构特征

SEM图展示了CNCA、CCNCA与PDMS改性后的P-CCNCA在平行与垂直方向的微观形貌。碳化后，CNC的棒状结构转变为连续的碳骨架，通道结构仍保持良好方向性。FTIR表明碳化后羟基及醚键基本消失，而PDMS特征峰明显出现；XPS证实PDMS的包覆及碳化导致的C/O比例变化；XRD结果显示CNC结构完全转变为无定形碳。图2整体说明了：P-CCNCA在结构上保持了有序通道，表面完成了疏水改性，材料从天然CNC成功转化为具备导电性与低表面能特性的多孔碳气凝胶。

图2 CNCA、CCNCA与P-CCNCA在形貌与结构组成方面的表征

在平行与垂直方向压缩测试中，垂直于P-CCNCA通道方向表现出更强的弹性回复能力，10次循环后曲线几乎重叠，显示优异的结构耐久性。水滴在P-CCNCA表面保持稳定球状，而泵油可迅速被P-CCNCA吸入孔道，验证其具有疏水/亲油特性。此外，P-CCNCA在盐水浸泡、紫外照射及-20℃至100℃温区均保持约135°接触角，并可通过水冲洗去污，说明其具备稳定的环境适应性与良好的自清洁能力。

图3 P-CCNCA的方向性力学响应与稳定的疏水特性

P-CCNCA可快速吸收漂浮在水面的泵油和沉在水低的氯仿，并对多种油的吸收量保持在5.7–10.5 g/g。通过加热或沿垂直于通道方向挤压，P-CCNCA可实现多次再生，经10次循环后吸收能力仍保持稳定。当P-CCNCA被作为分离膜使用时，该气凝胶可对重油/水体系实现快速重力分离，对轻油/水体系通过倾斜方式实现选择性接触分离，分离效率稳定在98.2-99.5%，渗透通量最高可达14,023 L/m²·h，循环10次后仍保持>99%的分离性能。

图4 P-CCNCA对多种油的吸收能力及其在油/水混合物中的高效分离性能

在模拟太阳光照射下，P-CCNCA表面温度在300 s内可迅速升至约65℃，远高于油自身受光照而升温的效果。随着温度升高，泵油黏度大幅下降，使油分子更易渗入P-CCNCA孔道。因此，在光照下，P-CCNCA的吸油速度显著加快；与没有光照的情况相比，P-CCNCA吸收等量泵油所需的时间几乎减少了一半，体现了该气凝胶的定向通道结构结合光热效应可有效提升高黏度油的流动性，显著提高其吸收效率。

图5 P-CCNCA的光热转换性能及其对高黏度油吸收速率的促进作用

对P-CCNCA加载电压，其产生的电流与加载电压呈线性关系，说明其满足欧姆特性，可稳定作为电加热单元。当对P-CCNCA加载4-12 V电压后，其温度迅速上升并保持稳定；关闭电源后P-CCNCA又能快速散热，体现其良好的热管理能力。对油包水乳液分离实验显示，在12 V加载电压下，相比于不加载电压，P-CCNCA的分离速率提升了83.3%。随着焦耳热使局部乳液的温度升高，乳液液滴聚集变大，降低了界面阻力，使其能够更快地通过P-CCNCA定向微通道，实现了高效破乳分离。显微图像显示处理后的油几乎不含乳液液滴，验证了P-CCNCA的高效电热驱动分离能力。

图6 P-CCNCA的焦耳热响应特性及其对乳液分离效率的增强作用

本研究基于可再生的CNC，构筑了具有定向微通道结构的P-CCNCA，实现了轻质、高孔隙率、疏水亲油、导热和导电性能的多重统一。通过碳化和PDMS改性，P-CCNCA获得稳定的疏水性与优异的结构强度，而其独特的各向异性通道在吸油与油/水分离中发挥关键作用。P-CCNCA不仅对多种油表现出快速吸收与可循环使用能力，还在光热和焦耳热作用下显著降低高黏度油的流动阻力，从而大幅提升吸油速率与分离效率。P-CCNCA的分离效率高达98.2-99.5%，并在循环使用后仍能保持稳定，充分展示其在海上原油泄漏治理、工业含油废水处理以及高黏度油回收方面的应用潜力。本研究不仅提供了一种绿色可持续的油水分离材料，还展示了利用结构各向异性实现智能响应型吸收与分离的新思路，为未来开发高性能、生物质基分离材料奠定了重要基础。