近年来，频发的溢油事故对海洋生态系统和人类健康构成威胁。传统的溢油处理方法，如化学分散剂、原位燃烧和机械回收等，存在着二次污染、效率低下等问题。因此，开发高效、环保且可循环使用的溢油吸附材料成为当前重要的研究方向。
近日，东华大学李发学教授团队和张瑞云教授团队合作，以槐叶萍的微观结构为启发，通过静电植绒技术，构建了一种带有排列整齐的疏水碳纤维的碳化静电植绒织物（HMDS-SiO2 modification of the carbonized electrostatic flocking fabrics，HC-CEFF）。该织物利用光热-电热的协同效应实现重油的快速清理。以上研究成果以《基于仿生设计的纺织基吸收材料：利用光热与电热协同转换实现高效重油清理》 “Bioinspired Design of Textile-based Absorbers: Photothermal and Electrothermal Synergistic Conversion for Efficient Clean-Up of Heavy Oil”为题，发表在《先进纤维材料》（Advanced Fiber Materials）上。
这一设计策略的核心包括两部分：首先垂直排列的高密度碳纤维具有粗糙的疏水表面和较低的曲折度，有利于减少油扩散阻力，并在强大毛细力的基础上促进重油的快速吸附。其次碳化棉织物和垂直排列的碳纤维因其优异的光吸收特性和良好的导电性，可实现出色的光热转换和焦耳热性能（图1）。
图1. 用于重油净化的太阳能加热和焦耳热HC-CEFF吸收器示意图
通过静电场的作用，碳纤维垂直地排列在碳化的棉织物基布上（图2）。碳化棉织物和碳纤维之间形成了许多开放和排列整齐的孔隙。HC-CEFF吸收器的低取向度增强了毛细管效应，降低流动阻力，提升了快速吸油能力。
图2. HC-CEFF吸收器的形貌表征和化学结构表征
HC-CEFF吸收器具有良好的疏水性和亲油性。其中，HC-CEFF@C3（碳纤维植绒长度为3 mm），对所有有机溶剂的吸收率最高（二氯甲烷为14.59 g g-1，柴油为10.36 g g-1，氯仿为16.17 g g-1，汽油为14.36 g g-1，硅油为16.32 g g-1）。
图3. HC-CEFF的润湿性和吸油能力展示
通过不同光照强度和电压下的温度变化评估HC-CEFF的光热和电热性能。HC-CEFF@C3具有95%的宽带太阳吸收率。当太阳光强度为1 kW m-2，HC-CEFF在120 s内达到91.0 ℃。在5 V电压下，HC-CEFF@C3的温度逐渐升高并保持稳定，最高值分别为98.0 ℃（图4）。
图4. HC-CEFF的光热性能和电热性能数据图
最后，探究了HC-CEFF吸收器的重油吸附性能。在1 kW m-2的太阳光照和5 V的电压下，经过1 min，可收集15.44 g重油（收集速率为2,647 kg h-1 m-2）（图5）。
图5. HC-CEFF吸收器对重油的回收
综上，受槐叶萍绒毛结构的启发，利用可扩展的静电植绒技术制备的热辅助织物基HC-CEFF吸收器，可以用于快速高效地吸收重油。HC-CEFF吸收器的高吸光性和电阻率带来了卓越的光热和电热效应，可有效降低重油粘度。具有开放式排列结构的生物启发太阳能加热和焦耳热纺织吸收器在高效、实用的重油回收方面具有较大的应用前景。
全文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-024-00423-7