如何简单、快速有效地回收原油对于资源的循环利用和环境的保护至关重要。具有良好光热转换性能的Ti₃C₂ MXene是构建高效油水分离气凝胶材料的明星材料，但Ti₃C₂ 易腐蚀氧化的特性严重限制了其在废油回收中的应用；同时，如何协同提升Ti₃C₂ 光热凝胶的吸附性能和机械性能仍是亟待解决的难题。

近日，广西大学童张法教授和张寒冰副教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上发表了最新研究成果“Multifunctional carboxylated cellulose nanofibers/exfoliated bentonite/Ti₃C₂ aerogel for efficient oil adsorption and recovery: The dual effect of exfoliated bentonite and MXene”。研究人员通过引入剥离膨润土（BTex）/Ti₃C₂复合光热转换载体这一简单、廉价、有效的方法，构建了新型的抗氧化、油水分离性能优良、机械性能良好的羧基化纤维素纳米纤维/剥离膨润土/Ti₃C₂（CNF-C/BTex/Ti₃C₂）气凝胶（制备流程如图1）。与CNF-C/Ti₃C₂气凝胶相比，BTex可有效抑制Ti₃C₂的氧化，明显增强CNF-C/BTex/Ti₃C₂的结构稳定性、机械强度、快速油水分离能力和重复利用性能。这一利用BTex和Ti₃C₂协同提升气凝胶吸油性能的新策略在构建绿色有效的吸油材料、处理实际含油废水方面具有良好的应用前景。

图1：CNF-C/BTex/Ti3C2的合成过程。

添加BTex后，TiO₂的特征峰在CNF-C/BTex/Ti₃C₂的XRD图谱中十分微弱，并且蒙脱石（001）晶面的峰强度与原始BTex大致相同，这表明BTex在抑制Ti₃C₂氧化中起着关键作用（图2a）。图2b显示CNF-C/BTex/Ti₃C₂中出现的2920 cm^‒1，2850 cm^‒1，1628 cm^‒1和1406 cm^‒1衍射峰分别归属于–CH₃、–CH₂拉伸振动、–COOH对称和非对称拉伸振动，证明CNF-C、BTex和Ti₃C₂已成功结合。此外，图2c和d表明，BTex的加入能够增大CNF-C/BTex/Ti₃C₂的比表面积和优化其孔容孔径，有效改善CNF-C/BTex/Ti₃C₂的形貌结构，提高凝胶后续的吸油性能。

图2：各种材料的（a）XRD图谱；（b）FT-IR图谱；（c）N2吸附-解吸等温曲线和（d）孔容孔径分布图。

CNF-C/BTex/Ti₃C₂可以承受500 g重量的压缩应变，并且在释放重量后恢复到原始高度，因此CNF-C/BTex/Ti₃C₂表现出优异的机械性能。不同的气凝胶在1个循环后表现出不同的弹性，但CNF-C/BTex/Ti₃C₂机械性能最好（8.3 kPa）。100次循环后，CNF-C/BTex/Ti₃C₂的能量系数和损耗分别稳定在0.57和2.1 mJ，表明CNF-C/BTex/Ti₃C₂具有稳定的机械性能和优异的弹性。

图3：（a）CNF-C/BTex/Ti₃C₂的机械可压缩性；（b）第一次循环后最大应变为60% 时四种气凝胶的应力-应变曲线；（c）最大应变为20%、40%、60%和80%时CNF-C/BTex/Ti₃C₂的应变-应变曲线；（d）在最大应变为60%时CNF-C/BTex/Ti₃C₂循环压缩的应变-应变曲线；气凝胶100次循环压缩中的（e）高度保持率；（f）能量损失和（g）能量损失系数。

CNF-C/BTex/Ti₃C₂在200~2500 nm范围内表现出优异的光吸收能力（99%，图4a），这是由于其独特的三维结构增加了光的相干长度。其次，Ti₃C₂增强了光的散射和光相互作用的路径长度以“捕获”光，进一步提高了CNF-C/BTex/Ti₃C₂的光吸收性能。随着光照强度的增大，CNF-C/Ti3C2和CNF-C/BTex/Ti₃C₂的上下表面温度均升高。在1 kW·m^–2光照强度下，CNF-C/BTex/Ti₃C₂的5次光热循环结果相似。因此，CNF-C/BTex/Ti₃C₂显示出稳定性和高导热性。

图4：（a）各种气凝胶的紫外可见近红外光谱；（b）CNF-C/Ti₃C₂和（c）CNF-C/BTex/Ti3C2在不同光照强度下1次循环的温度变化；（d）CNF-C/Ti₃C₂和（e）CNF-C/BTex/Ti₃C₂在1 kW·m^–2光照强度下5次循环后的温度变化。

CNF-C/Ti₃C₂和CNF-C/BTex/Ti₃C₂分别在25 s和15 s内达到其表面最高温度，并且热量的传递方向是从上表面至下表面，这表明CNF-C/BTex/Ti₃C₂具有更好的导热性（图5a）；CNF-C/BTex/Ti₃C₂在25°C的热导率为104 mW/m·K，在100 °C时具有138 mW/m·K的高热导率（图5b和c）。CNF-C/BTex/Ti₃C₂良好的导热能力对于降低原油粘度，增强吸附效果具有积极的作用。

图5：（a）在1 kW·m^–2照射下，CNF-C/Ti₃C₂和CNF-C/BTex/Ti₃C₂的顶部和底部温度变化；（b）CNF-C、CNF-C/BTex、CNF-C/Ti₃C₂和CNF-C/BTex/Ti₃C₂在25 °C下的热导率；和（c）CNF-C/Ti₃C₂和CNF-C/BTex/Ti₃C₂在不同温度下的热导率。

与未加热的条件相比，加热后CNF-C/Ti₃C₂和CNF-C/BTex/Ti₃C₂对原油的吸附时间分别缩短约85%和95%，说明光热介质Ti₃C₂的引入能有效降低原油粘度，提升吸附速率；在一个太阳强度（1 kW·m^‒2）下，CNF-C/BTex/Ti₃C₂吸附原油容量达到48 g·g‒1，用两种不同的原油吸附容量计量方式，CNF-C/BTex/Ti3C2吸附原油的性能均明显优于CNF-C、CNF-C/BTex和CNF-C/BTex/Ti3C2（图6）。总之，CNF-C/BTex/Ti3C2是一种很有应用前景的快速油水分离吸附材料，特别是在对高粘度原油的去除方面性能优良。

图6：（a~d）在有无1 kW·m^–2光照条件下，CNF-C/Ti₃C₂和CNF-C/BTex/Ti₃C₂吸附原油的情况；（e）在模拟阳光照射下，CNF-C/Ti₃C₂和CNF-C/BTex/Ti₃C₂对原油的吸附能力和（f）制备气凝胶在阳光照射（1 kW·m^‒2）下对原油的吸附能力。

综述所述，课题组通过引入廉价膨润土提升Ti₃C₂稳定性及光热转换效应、增强气凝胶油水分离性能和重复利用次数的简单策略，构建了高效稳定的纤维素基原油吸附材料，对于开发新型吸油凝胶、扩宽膨润土高值化利用领域、有效回收油品和加强环境保护具有明显的借鉴作用。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145412

课题组主要人员简介：

童张法，广西大学化学化工学院教授，博士生导师，政府特殊津贴专家，广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室主任，广西“十百千人才工程”第二层次人才，Email：zftong@gxu.edu.cn。长期从事膨润土新型材料的设计合成与绿色应用、高附加值碳酸钙产品的开发等研究。已主持完成多个膨润土及碳酸钙相关的国家自然科学基金、省科技攻关项目，相关研究成果已发表在Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Journal of Cleaner Production、Applied Surface Science、Applied Clay Science等国际知名期刊，代表性论文总篇数达200余篇，累计总引超8000余次，其中多篇代表性论文入选ESI全球Top1%高被引论文。以第一完成人身份获得广西省自然科学奖二等奖1项、三等奖3项。

张寒冰，广西大学资源环境与材料学院副教授，Email：coldicezhang0771@163.com。主要从事新型环保吸附、催化和凝胶材料的设计研发。以第一/通讯在Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology、Journal of Alloys and Compounds、Environmental Science and Pollution Research等国际期刊上发表论文40余篇，主持在研国家自然科学基金项目1项，广西省自然科学基金项目2项，获广西自然科学奖二等奖荣誉1项。

汤睿，广西大学2020级博士研究生，Email：ruitang1574@163.com。主要从事水体中膨润土环保材料的构建及吸附分离应用的研究。以第一作者在Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology、Cellulose、Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects等刊物发表SCI论文4篇，获广西自然科学奖二等奖荣誉1项。