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  水污染是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。富碳氣凝膠材料由于其質輕、比表面積大、抗霉變等優異性能而成為去除污水中污染物分子的理想吸附劑。

  近日，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污染物如亞甲基藍（MB），甲基橙(MO)，結晶紫(CV)具有快速且高效的吸附能力（Fig.1）。該工作已以“Renewable biomass derived hierarchically porous carbonaceous sponges and their magnetic nanocomposites for removal of organic molecules from water”為題，在線發表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》上（Journal of Industrial & Engineering Chemistry, 2017, https://doi.org/10.1016/j.jiec.2017.09.046）。

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松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后，蓬松的柚子皮內層組織轉變為有一定彈性的黑色碳質水凝膠，進一步冷凍干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表征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.

  由于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復合。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，成功構筑了磁性碳質氣凝膠（MSC）。如Fig.3所示，通過一系列表征證明了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污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，說明溶液里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干再生之后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。對于磁性碳質氣凝膠，還可以在吸附有機分子之后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，再生之后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生物質衍生低成本、多級孔結構碳質氣凝膠的制備方法。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，而且提供了一個制備功性能復合材料的平臺。經過進一步轉化或功能化，該類材料也可應用于氣體過濾、超級電容器、催化、相變儲能等方面。

  感謝國家自然科學基金、陜西省自然科學基礎研究計劃、陜西省青年人才托舉計劃、西安工業大學科研啟動基金的支持！

  論文鏈接：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1226086X17305324?_rdoc=1&_fmt=high&_origin=gateway&_docanchor=&md5=b8429449ccfc9c30159a5f9aeaa92ffb