磁光热驱动的MOF基海绵：超疏水协同性油污修复及光芬顿催化用于高效降解有机染料

《Separation and Purification Technology》：Magnetic-photothermal driven MOF-based sponge: superhydrophobic synergistic oil spill remediation and photo-Fenton catalysis for efficient degradation of organic dyes

光热协同调控的磁性超疏水多孔材料OTS/CuS@CuFe-MOF/MS在原油泄漏治理中展现出高效吸附（57.02 g/g）和稳定油水分离（98.9% 20次循环），通过CuS@CuFe-MOF核心壳结构实现光热转换效率112.5°C和光催化降解有机物功能，磁控驱动技术提升材料循环再生能力。

　　本研究聚焦于高粘度原油泄漏的管理问题，这是一个日益严峻的环境挑战。传统吸附材料在应对这类泄漏时往往表现不佳，因为它们难以有效处理具有复杂流体特性的高粘度原油。为了解决这一问题，研究团队基于光热粘度降低技术，开发了一种具备磁控驱动、光热转换和有机染料催化功能的超级疏水性材料——OTS/CuS@CuFe-MOF/MS。这种吸附材料通过将核壳结构的CuS@CuFe-MOF负载在氨基甲酸酯海绵（MS）基质上，并利用十八烷基三氯硅烷（OTS）进行表面改性，展现出卓越的疏水性能和稳定的油水分离效率。实验数据显示，该材料的接触角（WCA）达到了157.4°，并在20个循环测试中保持了98.9%的油水分离效率。此外，该材料在8.95 kW/m2的光照条件下，可实现高达112.5°C的快速升温，从而显著提升原油吸附量，从31.61 g/g增加至57.02 g/g，增幅达到80.3%。同时，该材料还具备光-Fenton催化能力，能够有效净化含油废水。

在石油泄漏事件频发的背景下，传统的油污治理手段，如机械撇油、化学分散、原位燃烧和微生物降解，虽然在某些情况下取得了一定成效，但它们通常伴随着较高的操作风险、高昂的运行成本以及较低的回收效率。相比之下，物理吸附因其环境友好、操作简便和显著的成本效益，逐渐成为石油泄漏治理的研究热点。近年来，功能性油吸附材料的研究取得了显著进展，例如多孔材料如聚氨酯海绵、氨基甲酸酯海绵和气凝胶因其出色的性能而受到广泛关注。表面改性策略在提升吸附材料的多功能性方面发挥了重要作用，包括吸附能力、选择性和稳定性。例如，有研究通过使用PDMS将SiO?和UiO-66结合，构建了一种超级疏水性聚氨酯复合海绵，实现了对油水乳液的高效分离。另一项研究则通过改性黏土粉末制备了超级疏水性海绵，其吸附能力达到自身重量的26至71倍，并具有良好的机械稳定性。然而，尽管这些材料在常规原油吸附方面表现出色，它们的多孔结构在提升高粘度原油吸附效率方面存在局限，从而限制了其在海上油污治理中的实际应用。

光热粘度降低技术为高粘度原油的吸附提供了新的思路。该技术通过将太阳能直接转化为界面热能，从而实现对重油的高效吸附。已有研究表明，通过将聚多巴胺作为光热组分，二氧化钛和全氟癸基三氯硅烷作为超级疏水/疏油组分，并将其引入氨基甲酸酯-甲醛海绵中，可以实现对油相粘度的降低和对油的有选择性吸附。此外，Fe?O?/PDMS@MF多功能海绵在模拟阳光照射下能够产生高达75°C的界面温度，不仅有效降低了重油的粘度，还具有31至51倍的吸附能力和阻燃性能。然而，现有的制备工艺通常依赖于氟硅烷修饰，这在实现功能优化的同时也带来了潜在的环境污染问题。因此，开发一种绿色、可扩展的光热吸附材料体系显得尤为重要。

氨基甲酸酯海绵因其多层网络结构、高孔隙率、高吸附能力和易于大规模制造的特性，被广泛用作金属有机框架（MOF）复合材料的载体，以实现油水分离。MOF材料因其结构多样、超高比表面积和规则有序的孔结构，在油水分离领域已成为关键的功能材料。其中，CuFe-MOF因其在可见光区域的优异吸附能力和光热转换效率而受到广泛关注。铜硫化物（CuS）是一种p型半导体材料，由于其在近红外区域的强吸附能力，能够表现出出色的光热性能。因此，当CuS和CuFe-MOF形成核壳结构时，有助于电子和空穴的转移，从而产生显著的光热协同效应。

基于这一原理，研究团队构建了CuS@CuFe-MOF核壳结构，并采用聚乙烯醇（PVA）界面交联技术实现MOF与氨基甲酸酯海绵的稳定结合。随后，通过使用OTS构建低表面能的改性层，开发出一种绿色无氟的超级疏水性海绵（OTS/CuS@CuFe-MOF/MS）。该材料不仅具备油水分离、磁控驱动和光-Fenton催化降解有机染料的功能，还在多个方面表现出色。例如，其疏水性能达到了157.4°，并且在多种油类的吸附过程中，其吸附能力达到了39.11至103.89 g/g，同时保持了连续和稳定的油水分离效率，达到了98.9%。

在材料的制备和表征方面，研究团队系统探讨了不同工艺参数对海绵表面性能的影响。实验设计采用了控制变量法，通过调整PVA质量（0.30–0.60 g）、PVA超声时间（0.5–2.5 h）、CuS@CuFe-MOF与PVA的质量比（1:0.5–1:2.5）以及OTS体积（0.4–1.2 mL）等参数，制备了一系列样品，并对其接触角和油吸附能力进行了表征，以确定最佳的工艺参数。PVA作为一种常用的材料，在该研究中被用于界面交联，以增强材料的稳定性和功能性。

本研究的成果为高粘度原油的吸附和回收提供了一种高效且环保的解决方案，具有重要的应用价值。特别是在环境修复和工业清洁领域，该多功能海绵展现出了广阔的应用前景。通过结合光热效应、磁响应和光-Fenton催化降解能力，该材料不仅能够有效处理油污，还能在处理过程中实现对有机染料的同步降解，为环境治理提供了新的思路。此外，该材料的绿色制备工艺避免了传统方法中可能带来的环境污染问题，符合可持续发展的理念。

在研究过程中，团队成员各自承担了不同的任务。Qian Jia负责撰写、审阅与编辑，以及方法论、正式分析和数据管理；Tong Zou负责撰写原始稿件、调查研究、正式分析和数据管理；Yukai Huang参与撰写、审阅与编辑以及调查研究；Linlin Yu负责验证和数据管理；Bin Zhang进行正式分析；Wenyu Wang负责验证；Shijie Zhang参与撰写、审阅与编辑；Meng Guo负责监督和正式分析；Ruoyu Chen负责验证和监督。这些分工确保了研究工作的顺利进行，并为材料的开发和性能测试提供了全面的支持。

在实验过程中，团队还对所使用的材料进行了详细的说明。例如，氨基甲酸酯海绵（MS）由上海贝优公司提供；硝酸铜四水合物、氯化铁六水合物、氯化铜二水合物、硫脲、聚乙烯醇（PVA）、乙二醇、聚乙二醇、醋酸钠、三氨基苯甲酸（H?BTC）、十八烷基三氯硅烷（OTS）、三氯甲烷、辛烷、庚烷、苯、甲苯、石油醚、丙酮和甲基硅油等均是实验中所使用的重要材料。这些材料的选择和配比对于最终材料的性能起到了关键作用。通过合理的实验设计和精确的工艺控制，团队成功制备了具有多功能特性的材料，并对其性能进行了系统的测试和评估。

本研究不仅在材料科学领域取得了重要进展，也为实际应用提供了坚实的理论基础。在当前全球对环境保护和可持续发展的高度重视下，开发一种高效、环保且具备多功能性的材料，对于应对日益严重的石油泄漏问题具有重要意义。该多功能海绵的出现，不仅为油污治理提供了新的解决方案，也为工业清洁和环境修复带来了新的可能性。此外，该材料的制备工艺相对简单，具有良好的可扩展性，这使得其在实际应用中具备更高的可行性。未来，随着对材料性能的进一步优化和应用范围的拓展，该材料有望在更多领域发挥重要作用。

综上所述，本研究通过构建一种多功能的光热吸附材料，成功解决了高粘度原油泄漏治理中的关键问题。该材料在疏水性、吸附能力、油水分离效率、磁控驱动和光-Fenton催化降解等方面均表现出色，为环境修复和工业清洁提供了新的思路和解决方案。同时，该材料的绿色制备工艺也符合当前可持续发展的趋势，具有重要的应用价值。未来，随着对材料性能的进一步研究和应用的拓展，该材料有望在更多领域发挥重要作用，为解决全球性的环境污染问题做出贡献。