超稳定超疏水与热响应性多功能纤维素基气凝胶的构建及其在油水分离中的应用

针对传统气凝胶脆性大、吸油能力有限及粘稠原油分离困难等问题，研究人员通过软硬协同策略结合定向冷冻技术，以细菌纤维素(BC)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)和羟基化碳纳米管(HCNT)制备了兼具电热/光热效应的多功能超疏水气凝胶。该材料在pH?1–13范围内保持接触角>153°，经250次压缩循环后结构稳定，对二氯甲烷吸附量达112?g/g且保留率96%，光热/电热转化效率分别达117.7?°C和126.7?°C，实现了高粘度原油的高通量连续分离（光热4.47×104?kg·m?3·h?1），为复杂环境油污治理提供了创新解决方案。

　　

随着工业活动加剧，原油泄漏和含油废水对生态系统造成严重威胁。传统分离技术如化学絮凝、膜过滤等存在成本高、二次污染等问题，而现有气凝胶材料又面临脆性大、疏水性不稳定、难以处理高粘度原油等挑战。特别是粘稠原油在低温下流动性差，常规气凝胶难以有效分离。针对这些难题，来自东莞理工学院（Dongguan University of Technology）的研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表研究，通过创新设计将细菌纤维素(BC)与甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、羟基化碳纳米管(HCNT)复合，开发出兼具机械稳定性、持久超疏水性和双重热响应功能的智能气凝胶。

研究采用软硬协同策略结合定向冷冻技术，通过SEM、FTIR、XPS等手段表征材料结构，利用接触角测试仪评估疏水性，并搭建光热/电热实验系统测定分离性能。

材料与结构特性
通过SEM观察到气凝胶呈现定向层状多孔结构（图S1），MTMS水解生成的Si-OH与BC形成强界面结合，未水解的Si-CH₃赋予材料超疏水性（WCA>153°）。HCNT的均匀分散（图S2）构建了高效热传导网络。

机械与化学稳定性
材料在25%应变下经250次压缩无结构破坏（图2c），pH?1–13环境中和严重磨损后仍保持超疏水性，这归因于MTMS形成的聚甲基倍半硅氧烷(PMSQ)涂层对纤维网络的保护。

吸附与热响应性能
对二氯甲烷吸附量达112?g/g，毛细管锁定作用使96%油分保留（图3d）。HCNT网络使材料在1?sun光照和5?V电压下分别升温至117.7?°C和126.7?°C（图4a,b），实现原油粘度动态调控。

分离效能
在光热和电热条件下，原油/水混合物的通量分别达4.47×10⁴?kg·m^?3·h^?1和8.15×10⁴?kg·m^?3·h^?1（图5c），较传统方法提升2个数量级。

该研究通过分子设计解决了纤维素气凝胶机械强度与功能性的矛盾，MTMS与BC的界面键合及HCNT的三维网络协同提升了材料稳定性。光热/电热双响应机制突破了粘度限制，定向孔隙结构实现油分高保留率。这种"结构-功能一体化"设计策略为恶劣环境下的油污治理提供了新思路，在海洋溢油应急处理、工业废水净化等领域具有重大应用前景。研究还启示，通过调控有机-无机杂化界面和纳米填料分散态，可进一步开发适应极端条件的智能分离材料。