Nano Res.│中科大俞书宏课题组：碳化海绵，用于快速清理高粘度溢油

早在数千年前，人类就已经认识石油并将其用作润滑剂或屋顶防水层。可是直到大约一个世纪前，人类才意识到石油不止这些用处。内燃机的发明在短短数十年内改革了人类的运输和生产方式，使得石油被誉为“工业血液”。然而，无论是偶尔发生的海上溢油事件还是常年进行的船舶排污，都对海洋环境造成了巨大的影响。当前，用于溢油清理最常用的材料和技术可以分为四种不同的类型：1）化学方法（分散剂，固化剂），2）原位燃烧，3）生物修复和4）机械回收（油围栏，撇油器，吸附剂）。在这些材料和技术中，吸附剂材料可以选择性收集和清除油污，因此近年来受到了广泛的研究。然而，常温下普通的吸附剂只针对低粘度油污有效，而对于高粘度的油污（如原油）的吸附效率极低。另一方面，为应对日益减少的轻质原油储量，人类对重质原油的开采需求将会逐步增加。而重质原油的非流动性又会产生额外的开采和运输问题。

为了解决这一问题，俞书宏院士团队此前提出了焦耳热辅助吸油的策略（Nature Nanotechnology 2017, 12, 434-440），并且利用浸渍法制备了石墨烯包裹的海绵用于原油的快速回收。然而，这种新型自加热吸附剂的吸油速率受到海绵基底的耐温性限制，阻碍了其进一步提升吸油性能。此外，石墨烯包裹的海绵在制备过程中会产生一些酸性废液，这也会给工厂的污水处理带来很大的负担。

成果简介

中国科学技术大学俞书宏院士团队提出了一种具有良好导电性和耐热性的碳化海绵，可以进一步提高自加热型吸附剂对高粘度原油的加热速率和回收速率。相关论文近期发表于Nano Research。

要点一：还原性气氛下热解碳化海绵

在这项工作中，作者引入了Ar/H₂作为热解气氛。与N₂气氛相比，热解温度相同时，海绵在Ar/H₂气氛下热解可以形成碳化程度更高，耐热性更优的吸附剂。实验结果表明，碳化海绵内部可以承受500℃的高温，此时表面最高温度达到400℃。

要点二：热红外成像仪辅助监测吸油速率

芯吸法是探究吸油速率的传统方法，在此项工作中，作者借助热红外成像仪提出了一种新的监测手段：基于空气与原油比热容的不同，空气/原油界面处会形成温度差，从而通过记录热红外成像图中温度差界面的移动便可实现对吸油速率的远程监控。

由实验结果可知，提高吸附材料的耐热性可以加快吸附剂对原油的加热速率，最高可达2.65℃/s。此外，碳化海绵可在22.5秒内将原油的粘度从9010.3 mPa•s降至491.4 mPa•s，从而提高吸附速率，实现吸附材料对高粘度油的连续回收，将自加热吸附剂进一步推向实际应用。

作者简介

俞书宏，中国科学技术大学教授，中国科学院院士，博士生导师，中国科学院“引进国外杰出人才”（2002年）、国家重大科学研究计划项目首席科学家（2010-2014）、英国皇家化学会会士（2013-）、 国家自然科学基金委创新研究群体科学基金学术带头人、国家“万人计划”科技创新领军人才。长期从事无机材料的仿生合成与功能化的研究。长期从事无机材料的仿生合成、组装及功能化应用研究。发现了材料仿生过程中有机分子对晶体取向生长的调控规律，建立了无机微纳材料的仿生合成新方法，创制了人工珍珠母等一系列多尺度复杂结构材料。近年来，在面向应用的纳米材料的宏量制备及宏观尺度组装体的功能化方向取得了重要进展。以第一完成人两次获得国家自然科学奖二等奖，曾获第二届全国创新争先奖章、安徽省重大科技成就奖、第十届中国青年科技奖、国际水热-溶剂热联合会Roy-Somiya奖章、英国皇家化学会《化学会评论》新科学家奖、第四届中国化学会-德国巴斯夫公司青年知识创新奖等荣誉。已在国际重要学术期刊Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Science Adv., Nature Commun., Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等上发表论文450余篇。担任Mater. Chem. Front.主编, Sci. China Mater., EnergyChem, eScience副主编，曾担任Langmuir副主编, 兼任Acc. Chem. Res., Nano Letters, Chem. Mater., Chem. Sci., Nano Res., Mater. Horiz., Matter, Triends in Chemistry等国际刊物编委或顾问编委。

文章信息

Lu-An Shi, Jin Ge, Bi-Cheng Hu, Tao Ma, Haoyu Zhao, Yong-Hong Song, Chao Li & Shu-Hong Yu^*. Joule-heated carbonized melamine sponge for high-speed absorption of viscous oil spills. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-020-3274-y.