水汙染是由有害化學物質造成水的使用價值降低或喪失，汙染環境的水。當下，水汙染已經成為人類必須面對的一個問題，因為生產紙、皮革、塑料、金屬、布等生活必需品產生的大量廢水對人類健康和生態平衡構成重大威脅。
富碳氣凝膠材料由於其質輕、比表面積大、抗黴變等優異性能而成為去除汙水中汙染物分子的理想吸附劑。
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2017年，西安工業大學周宏偉教授團隊發展了一種以柚子皮內層組織（PP）和水為原料的生物質衍生海綿狀碳質氣凝膠材料(CS)。這種氣凝膠材料具有多級孔結構，且對模擬廢水中有機汙染物如亞甲基藍（MB），甲基橙(MO)，結晶紫(CV)具有快速且高效的吸附能力（Fig.1）。
Fig.1 Illustration of the organic molecules removal process utilizing the hierarchically porous CS as adsorbents.
該工作首先研究了柚子皮內層蓬鬆組織和衍生碳質氣凝膠的微觀結構。如Fig.2所示，柚子皮內層組織由不規則的薄壁組織和嵌入其中的導管組成。在經過一步溫和水熱處理之後，蓬鬆的柚子皮內層組織轉變為有一定彈性的黑色碳質水凝膠，進一步冷凍乾燥過程將水凝膠轉變為海綿狀的棕黑色碳質氣凝膠。該氣凝膠的密度可低至15 mg/cm3。SEM表徵結果表明這種衍生氣凝膠具有多級孔結構。在低放大倍數下可以觀察到該碳質氣凝膠由薄片狀多孔結構組成，孔徑在幾十到幾百微米。進一步對薄片結構進行精細觀察發現孔壁由含碳球網絡組成。
Fig. 2 Macroscopic appearance and microscopic morphology of PP and CS. (a) Typical SEM image of fracture surface of freeze-dried PP. The scale bar is 200 μm. The inset shows a photograph of a fresh cylindric PP. (b) The marked part in (a) with a rectangle is magnified. The scale bar is 20 μm. (c) Photograph of a cylindric carbonaceous hydrogel. (d) Photograph of a cylindric CS. (e) A piece of CS is put on a dog tail grass. (f) A piece of CS floats on the surface of water. (g)-(j) Typical SEM images of CS and the magnified images of the marked parts with rectangle. The scale bars are 80 μm, 20 μm, 5 μm and 1 μm for (g), (h), (i) and (j), respectively.
由於這種碳質氣凝膠沒有完全碳化，在其表面含有豐富的反應性官能團，如羥基、羧基等，可以作為基體材料實現功能化複合。在本工作中，研究人員嘗試利用原位溶劑熱法將Fe3O4納米粒子引入該網絡中，成功構築了磁性碳質氣凝膠（MSC）。如Fig.3所示，通過一系列表徵證明了Fe3O4納米粒子的成功引入。和純碳質氣凝膠相比，磁性碳質氣凝膠的孔壁變厚，上邊附著了一層直徑約為150 nm的Fe3O4磁納米粒子，但是多級孔結構被很好地保留。
Fig. 3 Macroscopic appearance and microscopic morphology of MCS. (a) Photograph of a MCS strip. (b) MCS is lifted by a quadrate magnet. (c)-(e) Typical SEM images of fracture surface of MCS under different magnifications. From (c) to (e), the scale bars are 200 μm, 40 μm and 1 μm, respectively.
此外，碳質氣凝膠含有的大量官能團和多級孔結構也為有機汙染物分子的吸附提供了有力保障。以碳質氣凝膠作為吸附劑，將分別含有亞甲基藍（MB），甲基橙(MO)，結晶紫(CV)的模擬廢水經注射器過濾，發現從注射器流出的液體呈無色透明狀，說明溶液裡面的大部分染料分子被成功去除。這一過程只需要幾十秒便可完成（Fig. 4）。
Fig. 4 Photographs showing the pressure assisted removal of MB (solution 1 and 2), MO (solution 3 and 4) and CV (solution 5 and 6).
進一步研究發現，這種碳質氣凝膠對MB，MO和CV的平衡吸附量可以分別達到0.0769 g/g，0.2218 g/g和1.0384 g/g，使用過的氣凝膠材料經進一步水熱處理和凍幹再生之後對三種染料分子的吸附能力可以分別達到0.0640 g/g，0.0736 g/g和0.2280 g/g。對於磁性碳質氣凝膠，還可以在吸附有機分子之後利用外加磁場實現方便的固液分離，其對MB，MO和CV的平衡吸附量可以分別達到0.0635 g/g，0.0977 g/g和0.8634 g/g，再生之後的吸附量可以分別達到0.0410 g/g, MB 0.0552 g/g和0.2103 g/g。
總之，本工作發展了一種可再生物質衍生低成本、多級孔結構碳質氣凝膠的製備方法。這種特殊的結構不僅使該碳質氣凝膠在水中有機分子吸附方面有很好的應用前景，而且提供了一個製備功性能複合材料的平臺。經過進一步轉化或功能化，該類材料也可應用於氣體過濾、超級電容器、催化、相變儲能等方面。
擴展閱讀：
周宏偉，博士，教授，碩士生導師。主要研究領域為功能水凝膠材料及其3D打印技術。陝西省普通高校青年傑出人才支持計劃培育項目、西安工業大學“青年英才”入選者。2017年獲得西安工業大學青年教師獎勵基金。在Nature chemistry, Chemical Communications, ACS Applied Materials & Interfaces，ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Chemical communications, Polymer Chemistry, Soft Matter, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Journal of the European Ceramic Society，Macromolecular Materials and Engineering等期刊發表SCI論文30餘篇，其中1篇論文入選封面論文。主持國家自然科學基金青年基金、陝西省自然科學基礎研究計劃、陝西省高校科協青年人才託舉計劃等縱向課題。現為中國化學會會員，Chemical Communications, Acta Biomaterialia, RSC Advences, The Journal of Physical Chemistry, Macromolecular Materials and Engineering等期刊審稿人。
教育經歷：
2009年，西安交通大學，應用化學，學士學位；
2014年，中科院成都有機所，高分子化學與物理，博士學位，導師丁小斌研究員，鄭朝暉研究員；
2013-2014年，德國馬普高分子研究所，界面物理，博士聯合培養，導師Prof. Hans Jürgen Butt和Dr. Si Wu。
注：文章整理自中國聚合物網——高科技分子官微
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