中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室、化學與材料科學學院教授俞書宏課題組在高黏度浮油吸附材料設(shè)計上取得突破性進展。俞書宏課題組首次將焦耳熱效應(yīng)引入到多孔疏水親油吸油材料中，設(shè)計并研制出可快速降低水面上原油黏度的石墨烯功能化海綿組裝體材料和連續(xù)收集環(huán)境中泄漏原油的收集裝置，大幅提高了吸油材料對高黏度浮油的吸附速度，顯著降低了浮油清理時間。該成果4月3日在線發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》雜志。

海上原油泄漏不僅給生態(tài)環(huán)境帶來災(zāi)難性的破壞，還會造成巨大的經(jīng)濟損失。原油泄漏所產(chǎn)生的水面浮油具有面積大、油層薄、黏度大等特點，難以采用傳統(tǒng)技術(shù)和材料進行有效處理。近年來，多孔疏水親油材料因其具有成本低、油水分離效率高、操作簡單、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢，逐漸受到研究人員的重視。然而，多孔疏水親油材料僅對低黏度油品具有較高的吸附效率，而清理回收水面原油泄漏非常困難。因為原油的黏度比較大，即使是低黏度的原油，在泄漏后的短短幾小時內(nèi)，黏度就會增加數(shù)百倍以上，使多孔疏水親油材料難以將浮油快速吸附到內(nèi)部，進而降低了多孔疏水親油材料的利用率和浮油清理的速度。因此，為了促進多孔疏水親油材料在海上浮油清理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，迫切需要解決高黏度浮油在多孔疏水親油材料內(nèi)部擴散慢的難題。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在這種經(jīng)石墨烯功能化后的海綿上施加電壓后，產(chǎn)生的焦耳熱會迅速增加與其接觸的原油溫度，有效降低了與之接觸的原油黏度，從而提高原油在石墨烯功能化海綿內(nèi)部的擴散系數(shù)，最終使得經(jīng)石墨烯功能化海綿能夠快速吸附水面上高黏度原油。為提高電能的利用效率，他們將加熱區(qū)域限制到石墨烯功能化海綿的底部，頂層的海綿和水面的浮油相當于隔熱層，緩解熱量向空氣和水體中擴散，提高熱量向原油傳遞的效率。在這種限域加熱設(shè)計下，電能消耗降低了65.6%，石墨烯用量降低了50%，吸油時間也只有常溫石墨烯海綿的5.4%。此外，他們還提出陣列電極設(shè)計，證明了這種焦耳熱輔助多孔疏水親油材料吸油技術(shù)可以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。這種陣列電極設(shè)計使大面積石墨烯修飾的海綿在較低的通電電壓下，依然可以加熱到很高的溫度，這對該技術(shù)將來走向商業(yè)化有著重要意義。

該研究提出的可加熱經(jīng)石墨烯功能化后的海綿組裝體材料，經(jīng)優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)可進一步降低材料成本和電能消耗，有望在今后應(yīng)對海上原油泄漏事故處置中獲得廣泛應(yīng)用。

《自然—納米技術(shù)》雜志審稿人評價稱：“該研究利用石墨烯的焦耳熱效應(yīng)，使得石墨烯修飾的海綿能夠原位降低原油的黏度，從而從水面上清除原油。這個想法具有非常高的原創(chuàng)性和革新性?！痹撾s志配發(fā)評論稱：“原位調(diào)節(jié)石油流變性并最終實現(xiàn)石油的快速清理是一個原創(chuàng)性的概念，開啟快速清理水面高黏度浮油的新紀元。采用類似的策略，我們可以想象，未來的智能復(fù)合材料還可以吸附乳化的高黏度石油以及水下超重質(zhì)石油或者瀝青。”（通訊員范瓊 記者郭爽）