海上原油泄漏不僅給生態(tài)環(huán)境帶來災(zāi)難性的破壞，還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。然而，原油泄漏所產(chǎn)生的水面浮油具有面積大、油層薄、粘度大等特點(diǎn)，難以采用傳統(tǒng)的技術(shù)和材料來有效地處理。撇油船在圍油欄的配合下能夠處理的浮油面積非常有限，并且回收的浮油中含水量大;向原油泄漏區(qū)域播撒分散劑也僅能將部分浮油分散到水體中，而形成的原油乳液顆粒依然會(huì)威脅到海洋生物的生存環(huán)境;直接引燃浮油會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的空氣污染，同時(shí)會(huì)造成浮油泄漏區(qū)域缺氧。近年來，多孔疏水親油材料因其具有成本低、油水分離效率高、操作簡單、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢，逐漸受到研究人員的重視。然而，多孔疏水親油材料僅對低粘度油品具有較高的吸附效率，而對水面原油泄漏的清理回收非常困難。因?yàn)樵偷恼扯缺容^大，即使是低粘度的原油，在泄漏后的短短幾小時(shí)內(nèi)，粘度就會(huì)增加數(shù)百倍以上，使多孔疏水親油材料難以將浮油快速吸附到內(nèi)部，降低多孔疏水親油材料的利用率和浮油清理的速度。因此，為了促進(jìn)多孔疏水親油材料在海上浮油清理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，迫切需要解決高粘度浮油在多孔疏水親油材料內(nèi)部擴(kuò)散慢的難題。

　　俞書宏團(tuán)隊(duì)自2012年以來，持續(xù)開展了高性能碳基組裝體吸油材料的設(shè)計(jì)與制備方法研究。他們首次將石墨烯的焦耳熱效應(yīng)和石墨烯的疏水親油特性集成到多孔吸油材料上，設(shè)計(jì)出具有原位加熱和油水分離功能的石墨烯功能化海綿，在保持較高油水分離效率的情況下，大幅提高了多孔疏水親油材料對高粘度浮油的吸附速度(圖一)。首先，他們采用離心輔助浸漬涂覆技術(shù)，在商業(yè)海綿表面均勻地包裹上石墨烯涂層，得到的經(jīng)石墨烯修飾后的海綿不僅導(dǎo)電，還具有疏水親油特性。他們研究發(fā)現(xiàn)，在這種經(jīng)石墨烯功能化后的海綿上施加電壓后，產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)迅速增加與其接觸的原油溫度，有效降低了與之接觸的原油的粘度，從而提高原油在石墨烯功能化海綿內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)，最終使得經(jīng)石墨烯功能化海綿能夠快速吸附水面上高粘度原油(圖二)。為提高電能的利用效率，他們將加熱區(qū)域限制到石墨烯功能化海綿的底部，頂層的海綿和水面的浮油相當(dāng)于隔熱層，緩解熱量向空氣和水體中擴(kuò)散，提高熱量向原油傳遞的效率(圖三)。在這種限域加熱設(shè)計(jì)下，電能消耗降低了65.6%，石墨烯的用量降低了50%，吸油時(shí)間也只有常溫石墨烯海綿的5.4%。此外，他們還提出陣列電極設(shè)計(jì)，證明了這種焦耳熱輔助多孔疏水親油材料吸油技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。這種陣列電極設(shè)計(jì)，使大面積石墨烯修飾的海綿在較低的通電電壓下，依然可以加熱到很高的溫度，這對該技術(shù)將來走向商業(yè)化有著重要的意義。

　　《自然-納米技術(shù)》雜志審稿人評價(jià)稱：“這個(gè)故事非常有趣，其中有幾個(gè)靈巧的想法，例如利用加熱手段降低原油粘度，使原油的吸附變得可行”，“文章中報(bào)道的研究結(jié)果確保了焦耳熱輔助石墨烯修飾的海綿的應(yīng)用，這是一個(gè)新穎且有趣的工作”，“該研究利用石墨烯的焦耳熱效應(yīng)，使得石墨烯修飾的海綿能夠原位降低原油的粘度，從而從水面上清除原油。這個(gè)想法具有非常高的原創(chuàng)性和革新性”。

　　Nature Nanotechnology 雜志News & Views欄目配發(fā)了題為Oil spill recovery: Graphene heaters absorb faster 的評論，評價(jià)稱：“原位調(diào)節(jié)石油流變性并最終實(shí)現(xiàn)石油的快速清理是一個(gè)原創(chuàng)性的概念，開啟快速清理水面高粘度浮油的新紀(jì)元。采用類似的策略，我們可以想象，未來的智能復(fù)合材料還可以吸附乳化的高粘度石油以及水下超重質(zhì)石油或者瀝青。”《自然》(Nature)雜志在Research Highlights欄目以Hot graphene sponge mops up oil fast 為題，將該工作選為研究亮點(diǎn)。該工作將于5月份以封面論文形式正式發(fā)表。

　　這項(xiàng)研究開創(chuàng)了浮油吸附材料設(shè)計(jì)的新路徑，解決了以往多孔疏水親油材料對高粘度浮油吸附速度慢的難題，提出的界面加熱降低原油粘度的原創(chuàng)技術(shù)在石油化工業(yè)中的油水分離領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。該研究提出的可加熱經(jīng)石墨烯功能化后的海綿組裝體材料，經(jīng)優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步降低成本和電能消耗，有望在今后應(yīng)對海上原油泄漏事故處置中獲得廣泛的應(yīng)用。

　　該工作得到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃項(xiàng)目、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、中科院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)等資助。

　　圖一：焦耳熱輔助石墨烯修飾的海綿快速吸附高粘度浮油示意圖

　　圖三：石墨烯海綿溫度分布場對電能利用效率的影響。a.具有不同電極結(jié)構(gòu)(GWS-x)和石墨烯涂層(GWS-MS-x)的石墨烯修飾的海綿，在相同通電功率下的溫度分布場模擬計(jì)算結(jié)果。b.與圖a相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。c.石墨烯修飾的海綿吸油速度測試裝置示意圖。d.在相同輸入電功率密度下，電極結(jié)構(gòu)和石墨烯涂層的分布對石墨烯修飾的海綿吸油速度的影響。e.具有不同電極結(jié)構(gòu)和石墨烯涂層的石墨烯修飾的海綿所能承受的最大通電功率。f.加熱區(qū)域厚度調(diào)控。g.不同溫度場的石墨烯修飾的海綿的吸油時(shí)間同輸入電能的關(guān)系。h.石墨烯修飾的海綿(GWS-MS-10-Pmax)吸油過程中的熱量傳遞模擬計(jì)算結(jié)果。