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Psilica

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[资源] Zz-中科大俞书宏Nature Nanotechnology重磅：——石墨烯包覆的海绵！——附件PDF

中国科学技术大学俞书宏（通讯作者）团队在解决疏水亲油吸附剂快速吸附高粘度原油这一世界性难题方面取得了突破性进展，并于北京时间2017年4月4日在Nature Nanotechnology上发表——题为“Joule-heated graphene-wrapped sponge enables fast clean-up of viscous crude-oil spill”。该成果亮点为：为吸附剂—包裹石墨烯的海绵（GWS）—提供焦耳热，降低了原油粘度并提高原油吸附速率（吸附时间降低了94.6%）。当天，Nature Nanotechnology的News & Views栏目以“Oil spill recovery: Graphene heaters absorb faster”为题对该成果进行了详细报道, 评价称：“原位调节石油流变性并最终实现石油的快速清理是一个原创性的概念，开启快速清理水面高粘度浮油的新纪元。采用类似的策略，我们可以想象，未来的智能复合材料还可以吸附乳化的高粘度石油以及水下超重质石油或者沥青。” Nature的Research Highlights栏目以“Hot graphene sponge mops up oil fast” 为题将该工作选为研究亮点。

图 1. 焦耳热辅助GWS快速清理水面高粘度原油的示意图

红色代表石墨烯包覆涂层的温度逐渐升高，暗棕色代表未被加热的高粘度原油，亮棕色代表原油被加热后粘度降低。

图 2. GWS的制备及其焦耳热效应

a. 制备GWS流程示意图；

b. 两个包覆氧化石墨烯（RGO）的三聚氰胺（MS）海绵（MS@RGO）的块材具有导电性和疏水性（内置小图表明水接触角为~131。）；

c.不同电压下MS@RGO（2.6 × 2.3 × 0.8 cm3）的电阻以及表面温度的变化（在转换工作电压之前使样品冷却至室温）；

d. 高粘度原油的照片（中国石油大学提供）；

e. 当未加电压（上）和加电压（下）时，一滴原油在MS@RGO表面的渗透行为对比。

图3. 焦耳热效应对吸附原油的动力学影响

a. 单位面积GWS吸附的原油重量（ms）与时间的平方根（t1/2）的关系，环境温度20℃；

b. 液体吸附因子（Ks∝a图曲线斜率）与原油温度的关系以及其表面张力（γ）与其粘度（μ）之比的平方根（[γ/μ]1/2，来源于e图）和原油温度的关系；

c. 原油密度（dl）与原油温度的关系以及原油温度与RGO接触角（θ）的关系（海绵孔内原有接触角与RGO接触角相近）；

d.dl[cosθ/2]1/2与原油温度的关系；

e. 原油表面张力（γ）、其粘度（μ）和原油温度的关系；

f. 在单位面积MS@RGO能量密度不同（即焦耳热量不同）情况下，吸附的原油重量（ms）与时间的平方根（t1/2）的关系，环境温度20℃，ts表示原油饱和吸附时间。

图4. 热量分布对吸附剂的热能利用率的影响

a. 不同电极结构下，在GWS-x和GWS-MS-x上模拟的温度分布，x表示电极高度，样品厚度5mm，电量输入为0.094Wcm-3，环境温度24℃；

b. 实验结果与a图的模拟结果相符；

c. 测量原油吸附剂下沉速度和油/水界面以下的水温变化的装置示意图；

d. 当电量输入为0.16Wcm-3时，GWS-x和GWS-MS-x的吸油时间随着电极厚度的变化而变化；

e. 当电极厚度不同时，GWS-x和GWS-MS-x上有不同的最大电量（逐渐增大电量直至闻到烧焦的味道，此时电量为Pmax）；

f. 当电量为Pmax时，GWS-x和GWS-MS-x上原油吸附时间与电极厚度的关系；

g. 当条件为GWS-x-Pmax和GWS-MS-x-Pmax时，电能与原油吸附时间的关系；

h. 当条件为GWS-MS-10-Pmax时，在原油吸附过程中模拟的传热过程。

图 5. 焦耳热对油回收速度的影响

a,b. 在25℃和75℃下，通过挤压GWS（材料应变从0~75%）回收高粘度原油的情况；

c,d. 利用泵吸GWS法，连续收集水面高粘度原油，操作电压为0V和17V。

【小结】

该团队设计的这种焦耳自加热吸附剂设计实现了快速清理海上高粘度原油的世界性难题。通过模拟优化结构设计，将焦耳热集中于GWS表面可有效降低电耗量（65.6%）以及RGO损耗量（50%）。这一研究成果将为高粘度原油泄漏的高效清理与回收提供新的方向。

文献链接：Joule-heated graphene-wrapped sponge enables fast clean-up of viscous crude-oil spill (Nature Nanotechnology, 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.33)

NEWS AND VIEW链接：Oil spill recovery: Graphene heaters absorb faster (Nature Nanotechnology, 2017, doi:10.1038/nnano.2017.63)

Nature Research Highlights链接：

http://www.nature.com/articles/n-12193718 (Nature Nanotech. (2017))

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