东南大学张友法团队small封面：三维疏水活性炭，长效水气净化

活性炭是一种具有高度多孔结构和大表面积的碳质吸附材料，能有效去除水和空气中的有机物、重金属、气体、颜料、异味和杂质，因而被广泛用于水处理、空气净化、药物制备、食品加工、化学工业等领域。然而，水分子与表面含氧官能团的高亲和力会使得活性炭吸附性能严重下降。

鉴于此，东南大学季延正等人提出了一种简单有效的方法，即通过表面单层硅烷化制备疏水AC，利用活性炭表面含有的众多─OH基团作为反应位点，与氯硅烷进行反应，直接在常温常压下形成表面疏水AC。所得的疏水性AC表现出显著提高的疏水性，同时保持其原始高比表面积，使其具有较好的吸附性能。该研究以题为“3D Monolayer Silanation of Porous Structure Facilitating Multi-Phase Pollutants Removal”的论文发表在《SMALL》上。

在这项研究中，作者首先将初始柱状活性炭加入到含有三氯丙基硅烷的正己烷溶液中，在超声下进行反应，经洗涤干燥得到疏水改性活性炭。与初始AC的29.7°水接触角相比，改性AC具有更高的疏水性，其水接触角达到123.5°。水滴可以稳定地放置在疏水AC的表面上，而不会被润湿。如图1所示。

图1. 疏水AC的水接触角

【疏水表现】

作者细致地探究了改性活性炭疏水表现。将初始AC和疏水AC置于具有99%RH的封闭系统中，72小时后改性活性炭增重18.24 %，其与初始AC相比减少了61.47%。在物理吸附等温线中，水蒸气吸附从20.71 mmol g⁻¹降低到15.92 mmol g⁻¹。此外，对于水分子，初始AC的吸附能（74.84 kcal mol⁻¹）显著高于疏水AC（11.82 kcal mol⁻¹），其在吸附穿透能力方面也是突出的（图2c）。图2 e中疏水AC能漂浮在水上，而初始AC容易变湿和下沉。利用X射线CT图像研究了AC的润湿过程，图像显示，由于毛细力和亲水性，水快速渗透初始AC，而难以渗透到疏水AC中。作者还通过加湿器观察到宏观疏水性，加湿器喷射的微小水滴难以快速吸收，在疏水AC表面凝结并聚集成大水滴。

图2.改性活性炭疏水性表现

【VOC吸附表现】

作者将甲苯作为代表物，评估了改性活性炭在高湿度条件对VOC的吸附能力。初始AC的通道易于被水分子占据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吸附等温线的BJH模拟进行了评估，结果表明超微孔性适用于甲苯的物理吸附。作者还进行了分子动力学模拟。拟合结果表明，由于界面的极性降低，与初始活性炭相比，疏水AC表现出更强的甲苯吸附。

图3. 甲苯吸附表现

【油水分离表现】

活性炭通常用于水处理，但解决油污染物仍然是一个挑战。在浮油、乳化油和重油污染这三种类型中，乳化油是最具挑战性的一种污染类型在此，作者利用大豆油和细胞破碎器超声均质器来制备乳化油-水混合物，以用于评估AC的动态吸附行为。结果表明，与初始AC相比，疏水性AC具有更高的净化能力，这可归因于其强大的疏水性。疏水性AC示出82.0 ± 2.0 °C的油接触角，而由于表面上的水膜，初始AC呈现疏油状态。此外，由于与油滴的接触面积更大，去除效率也随着AC的量而增加。

图4. 净化油污表现

【藻类去除表现】

由于藻类分泌的AOM会影响饮用水的安全性，地表水中藻类水华的存在已成为人们日益关注的问题。这里作者研究了疏水活性炭对小球藻和AOM的吸附性能，并与初始活性炭的吸附性能进行了比较。发现疏水性AC在去除小球藻和AOM两者方面高度有效，去除效率分别为97.56 ± 6.24%和96.23 ± 5.46%。初始活性炭对胞外聚合物的吸附主要依靠短程范德华力，对微藻的吸附作用有限。疏水活性炭的吸附机理显然不是一般的静电吸引。这里作者基于文献提出了疏水AC和水中小球藻之间的吸引力的潜在机制，证实了改性活性炭强大的藻类去除能力。

图5.藻类去除能力

【总结】

该研究提出了一种制备疏水AC的简便方法。特别地，与初始AC相比，疏水AC保留其高表面积、发达的孔结构和疏水性。疏水活性炭在含油污水处理、空气净化、有害藻类治理、藻毒素吸附等方面表现出良好的性能，在日常生活中具有广阔的应用前景。疏水性分子刷策略为创建用于多相污染物去除的优异疏水性多孔材料提供了指导。

文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202303658