南洋理工大学：高效、可循环油水分离的3D多孔MoS2–PVP气凝胶

介绍

随着社会的发展，水污染问题将越来越严重，引起严重的生态危机，这已成为全世界基础研究和应用研究的重点。漏油，工业废水排放和有机溶剂泄漏是造成水污染的主要原因。目前采用一些传统方法来解决此严重问题，如分散剂、吸附剂材料、撇油器容器和围油栏。吸附材料工艺简单且具有出色的吸附效率，是最有前途的方法。

多孔材料（如羊毛纤维、活性炭、膨胀石墨、BN纳米片）可通过简单有效的吸收过程将油水分离，已被广泛用作吸收剂。通常，理想的吸收材料应具有低密度、高吸附能力、出色的可回收性和环境友好性。但是低吸附能力和可回收性差严重限制了它们的实际应用。因此，非常需要开发具有高吸附能力和优异的可回收性的吸附材料。MoS2是具有石墨烯状结构的层状过渡金属二硫化物，在催化，电池和传感器领域具有广阔的前景。

近期，南洋理工大学使用冷冻干燥法成功地制造了3D MoS2-PVP气凝胶。作为表面活性剂，PVP可以轻松地附着在MoS2纳米片的表面，并促进纳米片之间的相互连接。3D MoS2-PVP气凝胶具有高吸附能力和强大的可回收性。经过30个循环后，通过挤压和蒸馏，气凝胶的结构和吸附能力保持在93.5％和92.9％，它可用作环境修复吸附材料。相关成果“A three-dimensional porous MoS2-PVP aerogel as a highly efficient and recyclable sorbent for oils and organic solvents”发表在《Materials Advances》。

结果与讨论

图1描绘了3D MoS2-PVP气凝胶的组装过程。两亲性PVP可用作支撑气凝胶的框架。MoS2的横向尺寸约为200-600 nm。相比于纯的PVP，添加的MoS2 气凝胶的比表面积增大。

图 1 3D MoS 2 –PVP气凝胶的组装过程。

XRD图证实PVP是无定形性质，且MoS2-PVP气凝胶的强度比高于MoS2-PVP，说明PVP促进MoS 2纳米片的剥离（图2a-b）。FTIR光谱中，MoS2-PVP凝胶的特征峰蓝移至3289、1686、1420和1131 cm-1，表明MoS 2和PVP之间的相互作用（图2c-d）。

图2 （a和b）MoS2，MoS2-PVP气凝胶和PVP的XRD图谱。（c和d）MoS2，MoS2 -PVP气凝胶和PVP的FTIR光谱。

3D MoS2-PVP气凝胶可以稳定地站立在花朵的表面（图3a），且具有良好的疏水性。图3b-c显示了气凝胶的水接触角，MoS2含量增加可增加其水接触角。还在过程中观察到镜面反射（图3d），说明气凝胶和周围水之间形成了新的界面，这进一步证实了3D MoS2-PVP气凝胶的疏水性。

图3（a）站在花面上的3D MoS2-PVP气凝胶的照片。（b）3D MoS2-PVP气凝胶WCA的照片。（c）具有不同浓度的MoS2的3D MoS2-PVP气凝胶的WCA 。（d）镜面反射的照片。

3D MoS2-PVP气凝胶具有良好的疏水性和出色的机械稳定性，是去除各种油脂和有机溶剂的理想吸附材料之一。如图4a，将3D MoS2-PVP气凝胶放在油水混合物的表面时，它可以完全而迅速地吸收油。此外， 3DMoS2-PVP气凝胶对各种油和有机溶剂具有出色的吸附能力，可吸收高于自身重量195至649倍于的溶剂（图4b）。

图4 3D MoS2-PVP气凝胶的吸收性能。（a）3D MoS2-PVP气凝胶吸收的照片及对各种有机溶剂和油的吸附能力（b）。

3D MoS2-PVP气凝胶的吸附能力高于以前报道的吸附材料，如片状石墨（60-90倍），碳纳米管海绵（80–180倍），石墨烯海绵（60–160倍），还原型氧化石墨泡沫（5–40倍）。制备3D MoS2-PVP气凝胶的方法相对简单，其前体相对便宜。因此，作者认为，该气凝胶是最有前途的环境修复吸附剂。

油水分离的关键是污染物的可回收性，因为大多数污染物都含有有价值和有害的物质。两种典型的回收污染物的方法是挤压和蒸馏。被3D MoS2-PVP气凝胶吸收的十八烯可以通过挤压回收。当释放压力时，气凝胶可以恢复到其原始形状（图5a）。3D MoS2-PVP气凝胶的吸收-压缩循环过程中保持良好的结构，在30个循环后，仍保持93.5％的吸附能力（图5b），和92.9％的吸附能力（图5c），表明其良好的可回收性。因此，该气凝胶可通过挤压、蒸馏或两种方法的组合用于去除污染物。在油水分离领域显示出巨大的潜在实际应用价值。

图5 3D MoS2–PVP气凝胶的回收。（a）吸附-压缩过程。（b）3D MoS2-PVP气凝胶用于回收十八烯的吸附-压缩循环。（c）3D MoS2-PVP气凝胶用于回收庚烷的吸附-蒸馏循环庚烷。

结论

综上所述，采用冷冻干燥法制备了密度低、疏水性好、吸附能力强、可回收性极好的3D MoS2-PVP气凝胶。3D MoS2-PVP气凝胶的吸附能力可以达到其自重的195-649倍。此外，经过30个循环后，3D MoS2-PVP气凝胶的结构得到了很好的维护，并且通过挤压和蒸馏，该凝胶仍分别保持了93.5％和92.9％的吸附能力。该气凝胶在油水分离中具有极好的潜力。

参考文献：doi.org/10.1039/D0MA00219D

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