南洋理工大學:高效、可循環油水分離的3D多孔MoS2–PVP氣凝膠

2021-01-12 網易新聞

介紹

隨著社會的發展,水汙染問題將越來越嚴重,引起嚴重的生態危機,這已成為全世界基礎研究和應用研究的重點。漏油,工業廢水排放和有機溶劑洩漏是造成水汙染的主要原因。目前採用一些傳統方法來解決此嚴重問題,如分散劑、吸附劑材料、撇油器容器和圍油欄。吸附材料工藝簡單且具有出色的吸附效率,是最有前途的方法。

多孔材料(如羊毛纖維、活性炭、膨脹石墨、BN納米片)可通過簡單有效的吸收過程將油水分離,已被廣泛用作吸收劑。通常,理想的吸收材料應具有低密度、高吸附能力、出色的可回收性和環境友好性。但是低吸附能力和可回收性差嚴重限制了它們的實際應用。因此,非常需要開發具有高吸附能力和優異的可回收性的吸附材料。MoS2是具有石墨烯狀結構的層狀過渡金屬二硫化物,在催化,電池和傳感器領域具有廣闊的前景。

近期,南洋理工大學使用冷凍乾燥法成功地製造了3D MoS2-PVP氣凝膠。作為表面活性劑,PVP可以輕鬆地附著在MoS2納米片的表面,並促進納米片之間的相互連接。3D MoS2-PVP氣凝膠具有高吸附能力和強大的可回收性經過30個循環後,通過擠壓和蒸餾,氣凝膠的結構和吸附能力保持在93.5%和92.9%,它可用作環境修復吸附材料。相關成果「A three-dimensional porous MoS2-PVP aerogel as a highly efficient and recyclable sorbent for oils and organic solvents」發表在《Materials Advances》

結果與討論

圖1描繪了3D MoS2-PVP氣凝膠的組裝過程。兩親性PVP可用作支撐氣凝膠的框架。MoS2的橫向尺寸約為200-600 nm。相比於純的PVP,添加的MoS2 氣凝膠的比表面積增大。

圖 1 3D MoS 2 –PVP氣凝膠的組裝過程。

XRD圖證實PVP是無定形性質,且MoS2-PVP氣凝膠的強度比高於MoS2-PVP,說明PVP促進MoS 2納米片的剝離(圖2a-b)。FTIR光譜中,MoS2-PVP凝膠的特徵峰藍移至3289、1686、1420和1131 cm-1,表明MoS 2和PVP之間的相互作用(圖2c-d)。

圖2 (a和b)MoS2,MoS2-PVP氣凝膠和PVP的XRD圖譜。(c和d)MoS2,MoS2 -PVP氣凝膠和PVP的FTIR光譜。

3D MoS2-PVP氣凝膠可以穩定地站立在花朵的表面(圖3a),且具有良好的疏水性。圖3b-c顯示了氣凝膠的水接觸角,MoS2含量增加可增加其水接觸角。還在過程中觀察到鏡面反射(圖3d),說明氣凝膠和周圍水之間形成了新的界面,這進一步證實了3D MoS2-PVP氣凝膠的疏水性。

圖3(a)站在花面上的3D MoS2-PVP氣凝膠的照片。(b)3D MoS2-PVP氣凝膠WCA的照片。(c)具有不同濃度的MoS2的3D MoS2-PVP氣凝膠的WCA 。(d)鏡面反射的照片。

3D MoS2-PVP氣凝膠具有良好的疏水性和出色的機械穩定性,是去除各種油脂和有機溶劑的理想吸附材料之一。如圖4a,將3D MoS2-PVP氣凝膠放在油水混合物的表面時,它可以完全而迅速地吸收油。此外, 3DMoS2-PVP氣凝膠對各種油和有機溶劑具有出色的吸附能力,可吸收高於自身重量195至649倍於的溶劑(圖4b)。

圖4 3D MoS2-PVP氣凝膠的吸收性能。(a)3D MoS2-PVP氣凝膠吸收的照片及對各種有機溶劑和油的吸附能力(b)。

3D MoS2-PVP氣凝膠的吸附能力高於以前報導的吸附材料,如片狀石墨(60-90倍),碳納米管海綿(80–180倍),石墨烯海綿(60–160倍),還原型氧化石墨泡沫(5–40倍)。製備3D MoS2-PVP氣凝膠的方法相對簡單,其前體相對便宜。因此,作者認為,該氣凝膠是最有前途的環境修復吸附劑。

油水分離的關鍵是汙染物的可回收性,因為大多數汙染物都含有有價值和有害的物質。兩種典型的回收汙染物的方法是擠壓和蒸餾。被3D MoS2-PVP氣凝膠吸收的十八烯可以通過擠壓回收。當釋放壓力時,氣凝膠可以恢復到其原始形狀(圖5a)。3D MoS2-PVP氣凝膠的吸收-壓縮循環過程中保持良好的結構,在30個循環後,仍保持93.5%的吸附能力(圖5b),和92.9%的吸附能力(圖5c),表明其良好的可回收性。因此,該氣凝膠可通過擠壓、蒸餾或兩種方法的組合用於去除汙染物。在油水分離領域顯示出巨大的潛在實際應用價值。

圖5 3D MoS2–PVP氣凝膠的回收。(a)吸附-壓縮過程。(b)3D MoS2-PVP氣凝膠用於回收十八烯的吸附-壓縮循環。(c)3D MoS2-PVP氣凝膠用於回收庚烷的吸附-蒸餾循環庚烷。

結論

綜上所述,採用冷凍乾燥法製備了密度低、疏水性好、吸附能力強、可回收性極好的3D MoS2-PVP氣凝膠。3D MoS2-PVP氣凝膠的吸附能力可以達到其自重的195-649倍。此外,經過30個循環後,3D MoS2-PVP氣凝膠的結構得到了很好的維護,並且通過擠壓和蒸餾,該凝膠仍分別保持了93.5%和92.9%的吸附能力。該氣凝膠在油水分離中具有極好的潛力。

參考文獻:doi.org/10.1039/D0MA00219D

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