本研究由南京林业大学化学工程学院的白蕴华（Yunhua Bai）、马佳丽（Jiali Ma）、张雄飞（Xiong-Fei Zhang）、于梦娇（Mengjiao Yu）、顾晓利（Xiaoli Gu）和姚建峰（Jianfeng Yao）等人共同完成。研究成果于2025年7月14日在线发表于学术期刊 Separation and Purification Technology 第377卷。
一、 研究背景与目标
频繁的石油泄漏事故对海洋生态系统造成了严重破坏，由于油类降解的固有复杂性，生态恢复往往面临长期挑战。传统的油污处理方法，如微生物降解、物理法（离心、吸附）和化学法（分散剂、焚烧），普遍存在效率低、能耗高、运行不稳定或易产生二次污染等显著局限性。其中，物理吸附法因其操作简便、可重复使用且无有害副产物，成为应对海洋油污的极具前景的策略。
当前常见的吸油材料（如吸油毡、海绵、泡沫等）多由石油基聚合物制成，存在降解性差、回收困难等问题。因此，开发天然、绿色的生物基材料成为可持续的替代方案。在众多生物质材料中，纤维素气凝胶（cellulose-based aerogels）因其生物可降解性、来源丰富和低环境影响而备受关注，特别是细菌纤维素（Bacterial Cellulose, BC），以其环保的生产过程、高结晶度和优异的机械性能成为理想原料。然而，纤维素气凝胶天然的亲水性限制了其吸油效率。为解决此问题，研究者通过碳化（carbonization）工艺来增强其疏水性，但该过程常导致材料显著收缩、回弹性差和阻燃性不足。
为此，本研究旨在开发一种无需额外添加剂、绿色且成本低廉的制备工艺，以生产兼具超疏水性、阻燃性和高吸附容量的碳气凝胶。研究团队选用细菌纤维素和第二大丰富的生物聚合物甲壳素（Chitin）为原料，通过创新的复合与碳化策略，以期克服上述挑战，制备出高性能的油水分离材料。
二、 详细研究工作流程
本研究的工作流程主要分为三个核心步骤：碳气凝胶的制备、材料表征以及性能测试。
在制备阶段，研究者首先将浓度为0.8 wt%的BC悬浮液稀释并搅拌均匀。随后，向40克稀释后的BC悬浮液中分别加入不同质量（0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.0克）的甲壳素，充分搅拌形成均匀的混合物。这些混合物在零下20摄氏度的低温冰箱中冷冻后，经过冷冻干燥（freeze-drying）形成前驱体气凝胶，按照甲壳素添加量被依次命名为CH/BC-0至CH/BC-10。最后，将这些气凝胶置于管式炉中，在氮气气氛下以每分钟3摄氏度的升温速率加热至500摄氏度，并保温2小时进行碳化。得到的碳化气凝胶被相应地标记为CBC-0至CBC-10。
在材料表征阶段，研究者采用了一系列先进的分析技术以揭示材料的结构与性质。利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析碳化前后化学基团的变化；通过X射线衍射（XRD）研究其晶体特性；使用扫描电子显微镜（SEM）观察材料碳化前后的微观形貌结构变化，并辅以能谱分析（EDS）检测元素含量变化。此外，还通过氮气吸附-脱附实验测定碳气凝胶的比表面积（specific surface area）和孔径分布，并使用接触角测量仪定量评估其疏水性。
在性能测试阶段，研究工作涵盖了油吸附、力学性能和油水分离三大方面。油吸附容量通过重量法测定，将预称重的CBC样品浸入不同油品和有机溶剂中3分钟至饱和，再在空气中沥干1分钟后称重计算。研究人员构建了基于CBC-8的过滤装置，分别通过重力驱动和真空泵辅助驱动的方式，分离不互溶的油水混合物。此外，为模拟更严苛的实际环境，研究者配制了三种稳定的油包水乳液（water-in-oil emulsions），包括水/四氯化碳（CCl4）、水/甲苯（toluene）和水/正己烷（n-hexane）乳液，系统评估了CBC-8的破乳和分离性能，具体指标包括分离通量（separation flux）和分离效率。
三、 主要研究结果与分析
材料表征结果揭示了甲壳素的引入对碳气凝胶结构的显著优化作用。FT-IR光谱显示，碳化后大多数与酰胺基相关的特征峰减弱或消失，表明形成了碳化结构。XRD图谱中，约22°处的宽峰对应于(002)晶面，且其强度随甲壳素含量增加而增强，证实甲壳素促进了高温度处理下结构的交联与稳定。氮气吸附-脱附实验是关键转折点，数据表明，碳气凝胶的比表面积从CBC-0的45 m²/g大幅提升至CBC-8的最高值489 m²/g，这归因于甲壳素富含的氮、氧官能团在碳化过程中分解产生气体，从而在碳基体中生成了额外的微孔（micropores）和介孔（mesopores）。SEM图像直观地展示了这一变化：随着甲壳素含量从CBC-2增至CBC-8，纤维网络变得更致密，孔径逐渐减小，形成了层次化的多孔结构；然而，过量的甲壳素（CBC-10）会导致部分孔结构塌陷。
基于物理结构的变化，材料的润湿性和力学性能也表现出规律性差异。接触角测试显示，水的接触角从CBC-0的63°显著增加至CBC-8的135°，表明材料从亲水性转变为强疏水性。这得益于甲壳素引入的氮元素不仅调节了碳材料的表面能，还增加了表面粗糙度，优化了疏水/亲油平衡。CBC-8表现出卓越的亲油性，能瞬间吸附油滴而排斥水滴。研究发现，即使在3.5%的氯化钠溶液中浸泡48小时后，CBC-8的接触角仍保持在131°，展现了出色的耐盐稳定性。力学性能测试中，50%压缩应变下的应力从CBC-0的0.27 kPa增加至CBC-8的0.92 kPa，证实甲壳素作为交联剂有效强化了碳纤维网络。经过100次连续的50%应变压缩循环后，CBC-8的应力仍能保持初始值的71.8%，显示出优异的抗疲劳性。
上述优异的物理化学性质最终转化为卓越的吸油与分离性能。CBC-8对多种油和有机溶剂展现出极高的吸附容量，例如对氯仿高达138 g/g，对四氯化碳高达158 g/g。在循环使用测试中，经过50次吸油-解吸循环后，其对甲苯和二氯甲烷的分离效率仍保持在84%以上。在油水分离实验中，CBC-8不仅能通过重力快速分离四氯化碳/水混合物，还能与真空泵结合，实现对正己烷/水混合物的连续、高效分离。对于更具挑战性的油包水乳液，CBC-8的分离通量对所有测试油品均超过4500升每平方米每小时（L·m⁻²·h⁻¹），其中正己烷最高，达到5426 L·m⁻²·h⁻¹，且分离效率均超过90%。经过5次循环分离后，其通量和效率保持稳定，证明了出色的可重用性和结构稳健性。分离机理被归结为层次多孔结构的物理拦截、碳化表面的疏水亲油性驱动，以及甲壳素衍生氮掺杂对表面极性的调控三者的协同作用。
四、 研究结论与价值
本研究成功开发了一种完全由绿色原料——细菌纤维素和甲壳素——制备的碳气凝胶CBC-8，为油水分离和环境修复提供了一种可规模化、可持续且高效的解决方案。该研究科学价值在于，它系统地阐明了天然聚合物甲壳素作为多功能添加剂，在调控纤维素气凝胶碳化过程中的造孔、交联和氮掺杂等多重作用机制，实现了材料在比表面积、疏水性、力学强度和热稳定性上的同步提升。在应用价值层面，CBC-8材料展现出超低密度（约5.4 mg/cm³）、高吸附容量、优异的乳液分离性能以及出色的循环稳定性和耐盐性，不仅能够处理不互溶的油水混合物，还能有效分离稳定的油包水乳液，这使其在海洋真实溢油修复的复杂环境中具有极大的应用潜力。
五、 研究亮点
本研究的亮点主要体现在以下三个方面：第一，在材料创新上，首次将甲壳素这一富含氮元素的廉价天然聚合物作为唯一功能助剂引入细菌纤维素气凝胶，一步碳化即可获得高性能碳气凝胶，摒弃了昂贵的石墨烯或碳纳米管等添加剂，真正实现了低成本、绿色的制备路线。第二，在性能突破上，通过对甲壳素含量的精确调控，所获得的最优材料CBC-8在比表面积（489 m²/g）、吸油能力（高达158 g/g）和乳液分离通量（>4500 L·m⁻²·h⁻¹）等方面均表现出国际领先水平，同时兼具优异的耐火、隔热和超高弹性（100次压缩循环后仍保持71.8%应力）。第三，在应用潜力上，CBC-8不仅能高效吸附多种油类，还可通过简单的挤压或燃烧来回收吸附的油品，并无损用于连续分离装置，其卓越的耐盐性更突显了其在真实海洋环境修复中的实用化前景。