石油泄漏給生態環境和國民經濟造成不可估量的損失，燃燒、重力分離、撇油器、生物降解、化學乳化等治理方法存在低效、費用高，甚至產生二次污染等局限性。石墨烯、碳納米管、多巴胺等對商用海綿包覆后采用光熱、電熱輔助技術使復合材料表現出良好的原油吸附性能。由于原油存在粘度大、處理及再生困難等問題，開發可原位發熱的生物質功能復合材料仍然非常具有挑戰性。
鑒于此，北京林業大學馬明國教授團隊報道了一種基于二維材料MXene和綠色生物質材料木海綿的新型功能復合材料PDMS@WSM，該復合材料展現出優異的Joule熱和光熱轉換性能，在原油吸附及回收上具有出色的表現。相關工作以“Novel Ti3C2Tx MXene wrapped wood sponges for fast cleanup of crude oil spills by outstanding Joule heating and photothermal effect”為題發表在膠體與界面研究領域國際期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。
PDMS@WSM 復合材料利用焦耳熱和光熱治理原油泄漏示意圖
PDMS@WSM復合材料由木海綿、MXene和PDMS(聚二甲基硅氧烷)組成。木海綿通過對木材進行化學處理去除半纖維素、木質素得到纖維素框架，MXene通過對MAX進行酸刻蝕后得到，兩者復合后再經PDMS疏水處理即得PDMS@WSM復合材料。該復合材料表現出優異的壓縮循環性和疏水性。
PDMS@WSM復合材料的電熱和光熱性能
研究發現，PDMS層不影響PDMS@WSM熱轉化性能。在6 V電壓下可以快速升溫至168.6 ℃，在2.0 KW/m2的光照下可以快速升溫至82.1 ℃，原位產生的溫度可顯著降低原油的粘度從而提高吸附效率。PDMS@WSM復合材料具有穩定的電熱循環性。在4 V的工作電壓下可在70 s內快速吸附1.5 mL的原油，可在6 分鐘內飽和吸附11.2×105 g m-3原油。吸附飽和的PDMS@WSM可在10 V電壓下通過機械擠壓快速回收原油。通過自組裝的“自熱抽濾器”可持續地分離油水混合液，原油收集效率達250 mL/m2/min。PDMS@WSM復合材料具有穩定的光熱循環性。在1.5 KW/m2的光照下可在64 s內快速吸附1.5 mL的原油，可在8 mins內飽和吸附10.6×105 g m-3原油。吸附飽和的PDMS@WSM可在2 KW/m2的光照下通過機械擠壓快速回收原油。
PDMS@WSM在光熱輔助下的原油吸附性能
PDMS@WSM復合材料具有高效、快速和低能耗的原油吸附性能，在循環吸油、持續吸油上表現出色，結合優異的光熱、電熱轉換性能可全天候處理原油泄漏。以木海綿為生物質吸附基底，相比商用海綿更具環境友好性，相比纖維素氣凝膠更具循環使用性。PDMS@WSM拓寬了木基材料和MXene二維材料的應用領域，除了原油泄漏治理，該復合材料在能量管理、海水淡化上也極具潛力。
論文的第一作者為北京林業大學材料科學與工程學院博士研究生汪培林。該研究工作得到了國家重點研發計劃、新疆兵團創新發展支撐計劃以及北京林業大學杰出青年人才培育計劃等項目的大力支持。
全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979721013205
- 東北林大張彥華教授級高級實驗師 JHM：太陽能輔助自加熱 Ti3C2Tx修飾木氣凝膠用于高粘度原油的吸附和回收 2022-05-14
- 福建工程學院陳汀杰課題組《J. Hazard. Mater.》:光熱輔助油墨改性植物纖維海綿用于高粘度原油吸附 2022-04-02
- 東北林大王成毓教授、哈工大賀詩欣教授：可再生光熱轉換木材海綿—原位誘導高粘原油吸附與可循環擠壓再生 2020-06-18
- 廣西大學黃柏團隊 AFM：具有大應變自恢復能力與高韌性的全固態疏水性離子導體 - 適用于多場景傳感應用 2025-10-21
- 北化許海軍教授團隊 CEJ: 低成本原位光催化技術突破摩擦納米發電機高性能電極瓶頸 →在疏水性聚合物表面原位生長銀納米顆粒電極 2025-08-07
- 華東理工趙玲教授團隊 Adv. Sci.：適用于創新建筑冷卻的超高膨脹倍率發泡材料 2025-03-25
