近日，江西師範大學彭桂明教授和團隊制備出一種油水分離材料。在氣相輔助沈積法的幫助之下，課題組在具有微米級孔道的碳纖維網路上原位沈積生長 CN（carbon networks）奈米層，然後對其表面進行親油/疏水化學修飾，借此得到了這種油水分離材料（即超疏水/超親油界面）。
圖 | 彭桂明（來源：彭桂明）
由於 CN 層是透過原位化學氣相沈積生長的，與碳纖維基底具有強交互作用，因而能夠抵抗溶劑的持續沖刷。
同時，碳纖維之間的微米級溶劑孔道，讓油水分離濾網只需在重力驅動下，就能實作快速高效的油水分離，油通量達到 4.29 × 105L/m2/h，分離效率達到 99% 以上。
同時，憑借表面 CN 奈米層的可見光催化作用、以及表面化學修飾，可以拓寬 CN 材料對於可見光的響應範圍，從而讓濾網擁有優異的可見光催化能力，故能降解表面的有機油垢，最終實作自凈化的功能，助力於保持長期高效油水分離效能。
一系列耐酸、耐堿、高溫、耐鹽等實驗證明，這種油水分離材料可以在嚴苛條件下使用。
解決水體上石油泄漏造成的資源處理問題和環境汙染問題，是本次研究的初心所在。
海上油輪或油田石油泄漏事故時有發生，而且海底油氣資源豐富，因此該成果最有希望用於這些場景。當然，人類生產、生活中的其他油水分離場合，也蘊含著不少套用機會。
（來源：Nano Letters）
據介紹，在當前的大規模石油泄漏場景中，當進行油氣資源的分離與回收時，依舊存在一些待完善的地方。比如，應該更好地考慮該類事件對於環境和水體的汙染危害。
在海上石油泄漏事故中，由於涉及到的石油量較大，並且油氣資源與水的不互溶性，導致石油這類物質很快會在水面鋪開，很容易對大片水域造成威脅。
針對石油泄漏和石油汙染事故，最理想的處理方式必須滿足以下三大要求：處理效率高、成本低、無二次汙染。
目前，主要處理方式是浮選、過濾、吸收、化學分散劑降解、現場焚燒等。其中，透過常壓過濾進行油/水分離，是一種滿足上述三大要求的油水分離技術。
此類技術的關鍵是：在多孔濾網表面構築超疏水/親油或和超疏油/超親水界面。
以超疏水/超親油表面為例，由於濾網表面具有優異的疏水/親油性，它僅能允許油透過，由於水不能透過，故可以實作油/水分離。
在具體使用的時候，要求濾網必須具有良好的機械強度，並且具有多孔的結構。
此前，人們利用材料奈米孔道來作為溶劑分離通道，這往往需要使用金屬有機骨架膜和二維材料膜等技術，而這種技術往往需要施加壓力，只有這樣才能獲得一定的溶劑通量。
相比之下，當使用微米級溶劑孔道的時候，其主要依賴重力驅動的油/水高通量分離技術。
在重力驅動油水過濾分離過程中，目前有兩個亟待解決的問題：
其一，濾網疏水/親油或疏油/親水界面層，在連續油水過濾分離過程必須具備抗沖刷效能，即界面活性層與基底的作用必須保持牢靠，而這決定著濾網的長期油水分離效率和使用壽命；
其二，過濾網上的沈積油垢，是油水過濾分離過程中的另一個常見問題。
沈積的油垢會改變表面狀態，以至於堵塞溶劑通道，從而會嚴重限制長期分離效率，進而會提高分離成本。
於是，該團隊在想能否將光催化技術與油水分離濾膜材料加以結合，從而解決濾膜上的油垢問題？
為此，他們將表面特異親油疏水材料與可見光催化材料合二為一，在保持高效油水分離效能同時，還能維持材料的可見光催化效能。
在油水分離濾膜材料合成上，他們選擇原位生長的合成方式，借此克服過濾時的溶劑對於濾膜表面的沖刷作用。
由於常規的 CN 材料具有雙親性，既親水又親油，因此在合成 CN 基的濾膜材料之後，又面臨著表面疏水親油改性的問題。
而在表面改性的時候，課題組兼顧了材料的光催化效能，因此選擇了苯甲氧基嫁接，這樣一來既可以賦予材料表面疏水親油性，又有利於拓寬 CN 層對於可見光的響應，從而有利於增強光催化降解油垢效能。
對於研究過程彭桂明表示：「學生辛苦付出背後的小小成功，或許更值得記憶。還記得在 2022 年 11 月的一個下午，學生首次成功合成超疏水/超親油的第一片石墨碳氈/CN 復合材料，同學們都激動壞了。」
後來，經過文獻調研與不斷的實驗，再經過油水分離的測試，他們發現合成出來的材料表現出優異的油水分離通量和高分離效率。
「這給我們打了一劑定心針，讓我們更有信心做下去。我們實驗室的學生，多是初次接觸科研的碩士研究生，他們更需要透過做出成果來獲得肯定與鼓勵。」彭桂明說。
而對於相關論文評審專家表示：「我們認為將可見光催化降解有機汙染物用於分解油水分離過程中油垢問題很有新意，就像冬天的衣物可拿到太陽底下曬曬進行幹燥殺菌。」
同時，審稿人也提出了一些寶貴意見，比如建議課題組盡量做成大面積的油水分離濾網，並對油水分離能力加以評價。
事後，該團隊補充了相關實驗，進一步驗證了在大面積條件下的優異油水分離效能。
彭桂明表示：「這一建議進一步地讓我們看到了這款技術的套用前景，我們也正在將其做成產品，尋求技術落地的機會。」
最終，相關論文以【具有光催化防汙能力、可實作高流體油/水分離的疏水氮化碳奈米層】（Hydrophobic Carbon Nitride Nanolayer Enables High-Flux Oil/Water Separation with Photocatalytic Antifouling Ability）為題發在 Nano Letters [1]。何貿是第一作者，彭桂明擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nano Letters）
彭桂明總結稱：「這篇論文的發表證實了我們開發的 CN 基油水分離材料的優異油水分離效能，及光催化降解油垢實作抗油汙的特性。」
但這只是第一步，他和團隊更希望能推動技術落地，解決工業中的重大問題。
因此，接下來他們將努力解決大面積（平方米級）油水分離濾膜生產過程中的工藝問題，期待日後能在工業套用中看到自己的產品。
參考資料：
1.He, M., Wu, S., Xiong, S., Zhang, L., Lai, C., Peng, X., ... & Liu, C. (2023). Hydrophobic Carbon Nitride Nanolayer Enables High-Flux Oil/Water Separation with Photocatalytic Antifouling Ability. Nano Letters , 23(22), 10563-10570.
營運/排版：何晨龍
