温州大学薛立新/浙工大之江学院蒋国军AFM：MXene/PPy涂层非织造布，实现原油泄漏高效监测与回收

随着全球海上原油运输量激增，高粘度原油泄漏事故频发，对海洋生态和全球经济造成毁灭性影响。传统吸附材料在室温下难以处理高粘度原油，其流动性差、难以渗入多孔结构，导致泄漏监测失效和回收率低下。现有技术如太阳能光热吸附剂在夜间或阴雨天效率骤减，而机械强度不足的海绵基吸附体需额外保护层，限制了实际应用。开发兼具快速响应、全天候操作和强机械性能的新型吸附材料迫在眉睫。

温州大学薛立新教授、浙江工业大学之江学院蒋国军博士合作团队成功研制出超疏水可加热吸附材料H-MXene/PPy/PEG/PP。该材料基于异形截面聚丙烯纺粘非织造布（NWFs），通过聚吡咯（PPy）和MXene涂层实现高效光热/焦耳加热。研究表明，异形纤维结构显著提升原油吸附速度，光热与焦耳加热耦合可引发非牛顿辐射冷却效应，散热指数高达1.66–2.77。在1倍太阳光强（1 kW/m²）或10V电压下，原油泄漏响应时间仅需54秒或80秒，连续回收速率达176.5 kg·m⁻²·h⁻¹，为原油泄漏应急处理提供全新方案。

材料设计与性能验证

图1展示了材料制备全流程：首先通过LiF/HCl蚀刻Ti₃AlC₂（MAX相）获得MXene纳米片（图1a），随后通过原位聚合、浸渍涂层和化学气相沉积技术，在异形聚丙烯纤维表面构建PEG粘结层、PPy导电层及MXene光热层，最终经硅烷偶联剂改性形成超疏水表面（图1b）。图2的显微成像揭示了材料结构演化：原始C形纤维表面存在17–20 μm宽度的轴向沟槽（图2e-f），PEG涂层覆盖后形成褶皱层（图2g），PPy聚合进一步粗糙化表面（图2h），MXene涂层最终形成多尺度复合结构（图2i-j），其纳米通道保留了热量与原油的传输空间。

图1a) MXene纳米片制备流程；b) H-MXene/PPy/PEG/PP吸附材料的制备示意图。

图2a) MXene分散液丁达尔效应照片；b-c) TEM与SEM图像；d) AFM图像；e) 原始NWF的SEM图；f) 原始PP(C)纤维；g) PEG/PP(C)涂层；h) PPy/PEG/PP(C)涂层；i) MXene/PPy/PEG/PP(C)涂层；j) H-MXene/PPy/PEG/PP(C)超疏水表面。

化学成分与稳定性

图3通过光谱分析证实材料成功复合：FT-IR显示MXene的Ti-O特征峰（570 cm⁻¹）和疏水层的Si-O峰（1287 cm⁻¹）（图3a）；XPS检测到Ti、F、N、O、Si元素（图3b），其中O 1s谱证明MXene与PPy/PEG间形成Ti-O-C键（图3d-f）。热重分析（图3h）表明材料在150℃以下保持稳定，800℃残炭率达94.6%；力学测试（图3i）显示涂层使拉伸强度提升至0.32 MPa，氢键与化学接枝增强了界面稳定性，可耐受原油流动冲击。

图3PP(C) NWF吸附剂表征：a) FT-IR光谱；b) 全谱XPS；c) C1s峰拟合；d-f) O1s峰拟合；g) Si2p峰拟合；h) 不同样品热重分析；i) 吸附毡样品应力-应变曲线。

超疏水性与油水分离

图4揭示了材料的实际应用性能：H-MXene/PPy/PEG/PP(C)在pH 1–14环境及多次加热循环后仍保持水接触角＞147°（图4a），其C形纤维沟槽通过毛细作用加速原油渗透（图4f）。重力驱动分离实验中（图4b），二氯甲烷通量高达49,847 L·m⁻²·h⁻¹（图4c），20次循环后分离效率＞96%（图4d）。C形纤维的独特几何结构使大豆油润湿时间显著低于圆形纤维（图4e），油水分离机制源于界面张力差异——疏水表面对水产生向上压力，而对油产生向下渗透压（图4g）。

图4H-MXene/PPy/PEG/PP(C) NWFs表面润湿性与油水分离：a) 不同pH下接触角；b) 油水分离过程；c) 分离通量；d) 20次循环通量与效率；e) 大豆油在不同NWFs上的润湿时间；f) 二氯甲烷在C形/圆形单纤维上的润湿；g) 油水分离机理。

光热与焦耳加热协同效应

图5显示MXene/PPy/PEG@PP(C)在紫外-可见-近红外波段具有宽谱吸收（图5a），0.5 kW/m²光照70秒内表面温度升至75.7℃（图5b-c）。MXene的局域表面等离子体共振（LSPR）效应会发射紫外-可见光抵消PPy层吸收（图5d），但PPy的π-π*电子跃迁与MXene等离子体加热仍协同提升热转换效率（图5e）。图6进一步表明：PPy含量增加可提升表面温度，而MXene过量会因热分散效应略微降温（图6a-b）；焦耳加热模式下，15V电压使温度飙升至168.2℃（图6c,e），且低电压（5–8V）与弱光照耦合即可达到1.0 kW/m²的加热效果（图6d,f），为全天候操作提供可能。

图5NWFs光热性能：a) 紫外-可见-近红外吸收光谱；b) 表面温度随时间变化；c) 不同光强下材料表面红外热像图；d-e) MXene涂层LSPR效应产热机制示意图。

图6材料负载量对导电性与表面温度的影响：a) PPy浓度；b) MXene悬浮液体积；c) 不同电压下焦耳加热温度曲线；d) 光电耦合加热温度曲线；e) 不同电压下红外热像图；f) 联合加热红外热像图。

原油吸附与监测性能

图7验证了加热对原油吸附的关键作用：室温下高粘度原油无法渗透材料（图7a-b），而1.0 kW/m²光照时，C形纤维吸附速度（50秒）快于圆形纤维（65秒）（图7c-e）。单纤维实验显示原油沿C形沟槽快速扩散（图7f），材料对原油吸附容量达21.0 g/g（图7g），20次循环后性能稳定（图7h）。图8构建了光-电辅助监测系统：加热降低原油粘度后，氧传感探头可实时检测扩散信号（图8a-f），C形纤维在1倍光强下54秒内响应，信噪比达38.2 dB（表1），显著优于传统材料。

图7NWFs原油吸附性能：a-b) 无光照时原油渗透照片；c-e) 光照下不同材料渗透过程；f) 单纤维原油扩散对比；g) 不同油品吸附容量；h) 循环吸附性能。

图8热辅助原油泄漏监测：a-c) 不同光强下氧浓度变化曲线；d-f) 不同电压下氧浓度曲线；g-h) 光/电压对响应时间与信噪比的影响。

连续回收与散热机制

图9展示了连续回收装置：H-MXene/PPy/PEG/PP(C)制成传送带，在1 kW/m²光照和4.2 m/min速度下，原油回收速率达176.5 kg·m⁻²·h⁻¹（图9b）。光照使材料表面从99.0℃降至52.6℃（图9c），平衡了吸油与热传递效率。图10深入解析散热动力学：纯焦耳加热符合牛顿冷却定律（n=1.03–1.04），而光热耦合模式因MXene的LSPR效应引发非牛顿辐射冷却，n值高达2.77（图10a）。冷却过程分为三个阶段，对应表面涂层、中间层及基体的差异化散热能力（图10b-e），异形纤维截面未改变n值趋势但影响散热容量Cs（图10f-i，表2）。

图9a) 不同光强下原油回收速率；b) 不同传送带速度下回收速率；c) 光辅助回收装置示意图。

图10a) 纤维形状与加热模式对散热指数n的影响；b-e) 不同加热模式下冷却曲线拟合；f-i) 纤维形状与加热模式对散热容量Cs₁的影响。

应用前景

该研究首创的异形纤维基可加热吸附材料，兼具快速响应（54秒监测）、高效回收（176.5 kg·m⁻²·h⁻¹）和强机械稳定性，解决了高粘度原油泄漏处理的痛点。MXene涂层诱导的非牛顿辐射冷却效应（n=2.77）为热管理材料设计开辟新方向。未来研究将聚焦LSPR效应的精准调控，推动该技术在恶劣海况下的规模化应用。

来源：高分子科学前沿

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