東南大學張友法團隊small封面：三維疏水活性炭，長效水氣凈化

活性炭是一種具有高度多孔結構和大表面積的碳質吸附材料，能有效去除水和空氣中的有機物、重金屬、氣體、顏料、異味和雜質，因而被廣泛用于水處理、空氣凈化、藥物制備、食品加工、化學工業等領域。然而，水分子與表面含氧官能團的高親和力會使得活性炭吸附性能嚴重下降。

鑒于此，東南大學季延正等人提出了一種簡單有效的方法，即通過表面單層硅烷化制備疏水AC，利用活性炭表面含有的眾多─OH基團作為反應位點，與氯硅烷進行反應，直接在常溫常壓下形成表面疏水AC。所得的疏水性AC表現出顯著提高的疏水性，同時保持其原始高比表面積，使其具有較好的吸附性能。該研究以題為“3D Monolayer Silanation of Porous Structure Facilitating Multi-Phase Pollutants Removal”的論文發表在《SMALL》上。

在這項研究中，作者首先將初始柱狀活性炭加入到含有三氯丙基硅烷的正己烷溶液中，在超聲下進行反應，經洗滌干燥得到疏水改性活性炭。與初始AC的29.7°水接觸角相比，改性AC具有更高的疏水性，其水接觸角達到123.5°。水滴可以穩定地放置在疏水AC的表面上，而不會被潤濕。如圖1所示。

圖1. 疏水AC的水接觸角

【疏水表現】

作者細致地探究了改性活性炭疏水表現。將初始AC和疏水AC置于具有99%RH的封閉系統中，72小時后改性活性炭增重18.24 %，其與初始AC相比減少了61.47%。在物理吸附等溫線中，水蒸氣吸附從20.71 mmol g^?1降低到15.92 mmol g^?1。此外，對于水分子，初始AC的吸附能（74.84 kcal mol^?1）顯著高于疏水AC（11.82 kcal mol^?1），其在吸附穿透能力方面也是突出的（圖2c）。圖2 e中疏水AC能漂浮在水上，而初始AC容易變濕和下沉。利用X射線CT圖像研究了AC的潤濕過程，圖像顯示，由于毛細力和親水性，水快速滲透初始AC，而難以滲透到疏水AC中。作者還通過加濕器觀察到宏觀疏水性，加濕器噴射的微小水滴難以快速吸收，在疏水AC表面凝結并聚集成大水滴。

圖2.改性活性炭疏水性表現

【VOC吸附表現】

作者將甲苯作為代表物，評估了改性活性炭在高濕度條件對VOC的吸附能力。初始AC的通道易于被水分子占據而失去吸附甲苯的能力，而疏水AC在90%RH下的甲苯吸附容量甚至高于初始AC在0%RH下的甲苯吸附容量。基于N2吸附等溫線的BJH模擬進行了評估，結果表明超微孔性適用于甲苯的物理吸附。作者還進行了分子動力學模擬。擬合結果表明，由于界面的極性降低，與初始活性炭相比，疏水AC表現出更強的甲苯吸附。

圖3. 甲苯吸附表現

【油水分離表現】

活性炭通常用于水處理，但解決油污染物仍然是一個挑戰。在浮油、乳化油和重油污染這三種類型中，乳化油是最具挑戰性的一種污染類型在此，作者利用大豆油和細胞破碎器超聲均質器來制備乳化油-水混合物，以用于評估AC的動態吸附行為。結果表明，與初始AC相比，疏水性AC具有更高的凈化能力，這可歸因于其強大的疏水性。疏水性AC示出82.0 ± 2.0 °C的油接觸角，而由于表面上的水膜，初始AC呈現疏油狀態。此外，由于與油滴的接觸面積更大，去除效率也隨著AC的量而增加。

圖4. 凈化油污表現

【藻類去除表現】

由于藻類分泌的AOM會影響飲用水的安全性，地表水中藻類水華的存在已成為人們日益關注的問題。這里作者研究了疏水活性炭對小球藻和AOM的吸附性能，并與初始活性炭的吸附性能進行了比較。發現疏水性AC在去除小球藻和AOM兩者方面高度有效，去除效率分別為97.56 ± 6.24%和96.23 ± 5.46%。初始活性炭對胞外聚合物的吸附主要依靠短程范德華力，對微藻的吸附作用有限。疏水活性炭的吸附機理顯然不是一般的靜電吸引。這里作者基于文獻提出了疏水AC和水中小球藻之間的吸引力的潛在機制，證實了改性活性炭強大的藻類去除能力。

圖5.藻類去除能力

【總結】

該研究提出了一種制備疏水AC的簡便方法。特別地，與初始AC相比，疏水AC保留其高表面積、發達的孔結構和疏水性。疏水活性炭在含油污水處理、空氣凈化、有害藻類治理、藻毒素吸附等方面表現出良好的性能，在日常生活中具有廣闊的應用前景。疏水性分子刷策略為創建用于多相污染物去除的優異疏水性多孔材料提供了指導。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202303658