《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Reduced graphene oxide-integrated bacterial cellulose aerogel for viscous oil remediation
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光热响应型纳米纤维素气凝胶BC/rGO/PMSQ通过硅烷原位水解和方向冻干制备，石墨烯氧化物(rGO)增强光热转化效率，60秒内升温至70°C显著降低高粘度原油(20,000cP)粘度，吸附容量达77.46-194.26g/g，循环20次保持93%性能。
易芳|曹慧|张玉明|薛聪|聂浩飞|杨磊|李彦祥|李旺良
中国科学院过程工程研究所绿色过程与工程重点实验室，北京 100190，中国
摘要
纳米纤维素气凝胶由于其低密度、高孔隙率和易于表面功能化，在作为油吸收剂方面展现出巨大潜力。然而，传统变体在吸收高粘度油时的效果有限，这限制了它们的实际应用。本研究介绍了一种通过定向冷冻干燥方法制备的BC/rGO/PMSQ气凝胶。首先在聚甲基硅氧烷上原位水解甲基三甲氧基硅烷（MTMS）。引入rGO后，气凝胶的光热转换性能得到提升，解决了高粘度条件下流体流动性和渗透性降低的问题。该气凝胶具有优异的疏水性，水接触角为147.2°，对多种油和有机溶剂的吸附能力范围为77.46至194.26克/克，经过20次吸附-解吸循环后仍能保留约93%的初始吸附能力。此外，它还具有快速的光热响应特性，在1太阳光照射下60秒内表面温度可升至约70°C，这显著降低了原油的粘度（最高可达20,000厘泊），从而促进了高效的吸附过程。
引言
由于工业化进程的加快，全球石油需求激增，导致海上石油运输规模大幅扩张[1] [2]。然而，这种扩张也导致了频繁的海上石油泄漏事件，造成了资源浪费、经济损失和严重的生态破坏[3]。传统的修复方法，包括机械撇油[4]、原位燃烧[5]和生物修复[6]，面临高能耗、低效率以及潜在的二次污染等问题，这些限制了它们在复杂海洋环境中的实际应用。
相比之下，轻质多孔吸附剂为石油回收提供了一种高效且选择性的途径，能够将对生态系统的负面影响降到最低[8]。其中，气凝胶因其极高的孔隙率和可调的表面化学性质而受到广泛关注[9]。气凝胶的典型特征包括高孔隙率、高比表面积和易于功能化[10]。作为第三代材料，基于纳米纤维素的气凝胶可以通过交联和疏水改性成为高效的吸附剂[11]。例如，Chen等人[12]开发了一种纤维素纳米纤维/聚乙烯醇复合气凝胶，经过乙基三甲氧基硅烷的酸性疏水处理后，其水接触角达到148°，对油和有机溶剂的吸附能力为50至110克/克。类似地，Ke等人[13]通过溶剂交换、冷冻干燥和甲基三甲氧基硅烷（MTMS）气相沉积制备了疏水气凝胶（水接触角为131°），吸附能力为65–156克/克。尽管这些材料表现优异，但它们仅适用于低粘度流体，对高粘度原油（10^3–10^5毫帕）无效[14]。这一限制源于高粘度流体中的扩散动力学障碍，因此亟需开发更具适应性的材料。
鉴于流体粘度与温度之间存在反比关系，热响应性气凝胶是一种策略性的修复方法，可以通过局部加热来降低原油粘度，从而促进吸附过程[15]。例如，Chen等人[16]设计了一种电热细菌纤维素（BC）/MXene气凝胶，在3伏电压下表面温度可达124°C，有效降低了原油粘度，从而实现高效吸附。Song等人[17]开发了一种磁热海绵，在交变磁场作用下可加热至120°C，实现快速原油吸收。然而，这些方法依赖于外部能量输入（如电力或磁场），限制了它们在偏远或资源匮乏地区的应用。因此，太阳能驱动的光热气凝胶作为一种可持续且环境友好的替代方案应运而生。石墨烯凭借其高比表面积[18]和离域π电子系统，能够实现宽带光吸收和高效的光热转换[19]。当与纳米纤维素复合时[20]，石墨烯可以赋予气凝胶光热功能。
在我们之前的研究中，一种超疏水细菌纳米纤维素气凝胶（s-BPGA）的油吸附能力为80.91–203.30克/克。然而，它在吸收高粘度油时性能受限，因为粘性物质进入气凝胶多孔结构的流动性较低，导致吸附过程较慢。在本研究中，通过关键工艺制备了一种疏水BC/rGO/PMSQ气凝胶。这些工艺包括MTMS的原位水解以赋予疏水性和出色的压缩弹性，以及定向冷冻干燥以形成排列整齐的孔隙。此外，引入的还原氧化石墨烯（rGO）实现了太阳能诱导的局部加热，降低了原油粘度，促进了粘度高达20,000厘泊的原油的快速高效吸附。
实验部分
光热细菌纳米纤维素气凝胶的制备
为了制备光热BC气凝胶，首先按1:100（体积比）将MTMS和冰醋酸混合并搅拌30分钟，以实现MTMS的完全水解，形成硅溶胶。选择这一比例是基于初步实验结果，以优化水解动力学和溶胶稳定性，这与已建立的硅烷溶胶-凝胶工艺一致[21]。随后，将200微升硅溶胶加入BC悬浮液中并搅拌1小时，然后加入GO分散液
结果与讨论
BC作为可持续且可生物降解的骨架框架，提供了高度多孔、机械强度高的三维网络，支持高效的质量传输。rGO作为主要的光热剂，利用其广谱光吸收和优异的热导率将太阳能有效转化为热能[29]。PMSQ通过MTMS的原位水解生成，赋予气凝胶表面超疏水性，并增强其机械强度
结论
通过定向冷冻干燥成功制备了一种具有排列整齐通道的BC/rGO/PMSQ气凝胶。该设计巧妙地解决了吸附高粘度油的难题。交联的PMSQ网络确保了疏水性和出色的机械稳定性，而引入的rGO赋予气凝胶优异的光热性能。在太阳光照射下，温度的快速升高显著降低了原油粘度，从而实现了高效吸附。
作者贡献声明
曹慧：撰写 – 审稿与编辑、研究、数据管理。张玉明：撰写 – 审稿与编辑。李旺良：撰写 – 初稿撰写、监督、资源获取、资金申请。易芳：撰写 – 初稿撰写、可视化、研究。杨磊：撰写 – 审稿与编辑。李彦祥：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学。薛聪：撰写 – 审稿与编辑、资源管理。聂浩飞：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
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