由于环境灾难、人口持续增长和工业化进程，水资源短缺已成为全球性挑战。水资源回收利用是供应清洁水的有效方案。因此，亟需开发新材料和新技术来提高水净化效率。吸附法由于运营成本低、节能的优势，在污水处理领域得到了广泛应用。气凝胶凭借高比表面积和可调节的表面化学性质，在水污染治理领域具有巨大的应用潜力。然而，气凝胶高孔隙率往往导致力学性能不佳，强度和韧性不足严重制约了其实际应用。因此，合成具有高机械强度和柔韧性的气凝胶水净化材料具有重大意义。

近日，南京信息工程大学邵高峰课题组在期刊《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“Engineering aramid nanofibers into robustmacroscopic aerogel spheres for waterpurification”。研究者利用湿纺技术大规模地制备了具有致密表皮和多孔内部结构的芳纶纳米纤维气凝胶微球（ANFAMs）（图1）。ANFAMs在动态和恶劣的化学环境中能高效去除有机染料分子。一步热诱导交联使ANFAMs具有优异的压缩回弹特性，在50%应变下经过500次压缩-释放循环后仍能保持球形。对各种有机溶剂表现出优异的吸附性能和良好的可重复使用性，为从水中去除有机液体提供了可再生吸附途径。

图1 芳纶纳米纤维气凝胶微球制备过程及应用场景

采用湿纺技术和冷冻干燥工艺制备了芳纶纳米纤维气凝胶微球。基于质子化的动态凝胶机理，芳纶纳米纤维自组装形成具有核壳结构的气凝胶微球。核壳结构利于增强气凝胶的机械强度，确保了其在震荡环境中对染料的高效吸附。经过一步热诱导交联策略，高度支化的内部纤维转变为直径更小的交联纤维形态（图2）。

图2 芳纶纳米纤维气凝胶微球表面形貌及内部结构

如图3所示，气凝胶微球对孔雀石绿和亚甲基蓝阳离子染料具有较高的吸附量，相较于静态吸附，在动态吸附环境下呈现出较快的吸附速率。此外，在酸碱环境下，仍展现出优异的吸附效果。基于独立梯度模型分析，揭示了芳纶纳米纤维与孔雀石绿之间的静电相互作用、π-π相互作用、氢键相互作用。

图3 芳纶纳米纤维气凝胶微球的染料吸附性能及吸附机理

热处理后纳米纤维之间的化学交联使气凝胶微球具有良好的压缩回弹特性，在50%应变下压缩释放500次后，气凝胶微球仍能保持球形。三维多孔结构和良好的力学性能使其成为去除有机溶剂的理想候选材料，对四氯乙烷、正己烷、乙醇等有机溶剂具有高达40-130倍自身重量的吸附能力，可通过挤压方法进行至少30次的回收循环利用（图4）。

图4  芳纶纳米纤维气凝胶微球的压缩回弹特性、有机溶剂吸附性及循环性能评价

本工作提供了一种制备气凝胶微球的可扩大规模的生产方法（授权发明专利：ZL 2022 1 0978676.2）。芳纶纳米纤维气凝胶微球不仅能实现多种水污染物的高效去除，而且将为高性能环境修复材料的开发提供新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.127146

人物简介：

邵高峰，南京信息工程大学，化学与材料学院，校聘教授，江苏省科协青年科技人才托举工程入选者。主要研究方向为气凝胶可控构筑、性能调控和功能设计，目前以第一或通讯作者在Advanced Materials, Nano-Micro Letters, ACS Materials Letters, Small等材料科学、化学、工程技术领域国际知名期刊发表论文20余篇，其中江苏省自然科学百篇优秀学术成果论文1篇，ESI热点论文2篇，ESI高被引论文4篇。以第一发明人获授权发明专利8项；曾获江苏省科学技术二等奖，江苏省复合材料学会科技进步一等奖等。