针对工业含油废水及餐饮业废水的污染问题，本研究以Ti₃C₂T_x和TEMPO氧化纤维素纳米纤维 (TOCNF) 为主要原料，采用液氮非定向和定向冷冻法成功制备了一系列不同Ti₃C₂T_x含量的Ti₃C₂T_x/TEMPO氧化纤维素纳米纤维复合气凝胶。随后采用甲基三氯硅烷 (MTCS) 通过化学气相沉积 (CVD) 对制备的样品进行疏水改性。结果表明，定向Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶对于工业废水、生活污水、餐饮行业污水的油水分离处理研究具有重要意义。

研究过程及结果讨论

本研究将TOCNF和Ti₃C₂T_x粉末按质量比10:1、5:1、2:1、1:1、1:2混合，得到五种不同的Ti₃C₂T_x/TOCNF悬浮液。将冷冻样品放入真空冷冻干燥机中，即可得到Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶。随后，采用化学气相沉积 (CVD) 法对Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶进行疏水改性。

本研究通过用HCl/HF混合溶液蚀刻紧密堆积的前体Ti₃AlC₂，获得了手风琴状的多层Ti₃C₂T_x (图1a) 。在LiCl溶液中使用Li⁺对多层Ti₃C₂T_x进行进一步插层处理。采用手动摇晃和离心将其剥离成二维单层Ti₃C₂T_x，这表明材料蚀刻和剥离成功 (图1b)。如图1c所示，单层Ti₃C₂T_x分散体呈现均匀的墨绿色和明显的丁达尔效应，这表明Ti₃C₂T_x在水溶液中具有优异的分散性。

图1. (a) 多层Ti₃C₂T_x的SEM图像；(b) 单层Ti₃C₂T_x的SEM图像；(c) Ti₃C₂T_x分散液的丁达尔效应。

如图2所示，本研究采用定向液氮冷冻干燥工艺制备出了宏观形貌均匀、微观结构有序的复合气凝胶。

图2. (a) 非定向Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的外观和形貌；(b) 定向Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的外观和形貌；(c) 非定向Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的SEM图像；(d) 定向Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的SEM图像。

TOCNF气凝胶呈白色 (图3a)；而疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶呈黑色 (图3b)，外观完整，结构稳定。但纯Ti₃C₂T_x气凝胶性脆，难以形成稳定的结构。与纯TOCNF气凝胶 (图3e) 相比，疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶 (图3f) 孔隙数量较少，且孔隙间相互填充，具有有序排列的定向多孔结构。冰晶在温差的影响下从底部向顶部快速生长，形成了更加有序、紧密相连的多孔结构 (图3c、d)。

图3. (a) TOCNF气凝胶的外观形貌；(b) 疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的外观形貌；(c) TOCNF气凝胶横截面的SEM图像；(d) 疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶横截面的SEM图像；(e) TOCNF气凝胶垂直剖面的SEM图像；(f) 疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶垂直剖面的SEM图像。

FTIR光谱 (图4) 表明Ti₃C₂T_x已成功与TOCNF结合，从而得到复合气凝胶。

图4. TOCNF、Ti₃C₂T_x和疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的FT-IR光谱。

XRD 谱图 (图5) 结果与红外结果一致，证实了Ti₃C₂T_x已成功掺杂到纤维素中，表明复合气凝胶制备成功。

图5. TOCNF、Ti₃C₂T_x和疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF 复合气凝胶的XRD谱图。

从TG和DTG曲线 (图6) 可观察到，疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶具有良好的热稳定性，并且随着Ti₃C₂T_x质量的增加，热稳定性提高。

图6. (a) TOCNF、Ti₃C₂T_x、以及具有不同Ti₃C₂T_x质量分数的疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的TG曲线；(b) TOCNF、Ti₃C₂T_x、以及具有不同Ti₃C₂T_x质量分数的疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的DTG曲线。

未改性的Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶表现出强的亲水性，水滴在0.6 s内被吸收 (图7a)。经过疏水改性后，不同Ti₃C₂T_x质量分数的Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的水接触角均大于130° (图7b)，表现出明显的疏水性。

图7. (a) Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的水接触角；(b) 具有不同Ti₃C₂T_x质量分数的疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶的水接触角。

图8a直观地描述了不同Ti₃C₂T_x质量分数的疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶对乙醇、大豆油、真空泵油和正己烷的吸附能力。从图中数据可以看出，该类复合气凝胶表现出了优异的吸附能力，吸附量为其自身质量的21.5至78.2倍。

图8. (a) 疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶对乙醇、大豆油、真空泵油和正己烷的吸附能力；(b) M5C10对不同类型的油和有机溶剂的吸附能力。

为了定量测量其吸附能力，本研究选取M5C10 (Ti₃C₂T_x与TOCNF质量比为5:10) 对乙醇、环己烷、正己烷、大豆油、真空泵油和二氯甲烷进行吸附 (图8b)。结果表明，M5C10对上述所有溶剂均表现出很高的吸附能力。M5C10复合气凝胶具有密度小、疏水性好、吸附能力强等优点，在工业含油废水和餐饮业废水处理中具有广阔的应用前景。

图9为本研究选取的M5C10复合气凝胶进行吸附性能测试。疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶对水和有机物质均表现出显著的选择性吸附能力。

图9. (a) M5C10复合气凝胶对大豆油的吸附；(b) M5C10复合气凝胶对大豆油滴和水滴的吸附；(c) 静置120 s后大豆油滴和水滴的出现情况。

此外，疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶还具有良好的可回收性，如图10所示，经过多次循环后，其结构和性能仍能保持相对稳定。

图10. M5C10复合气凝胶对大豆油的循环吸附性能。

结论

1. 本研究开发了一种具有优异油吸附性能和可重复使用性的疏水性Ti₃C₂T_x/TOCNF复合气凝胶。

2. 该气凝胶具有优异的疏水性能、有效的油吸附性能和可重复使用性。

3. 随着Ti₃C₂T_x质量分数的增加，吸油率呈现出先增加后降低的变化趋势，在Ti₃C₂T_x质量分数为33.3%时达到最大值。

4. M5C10复合气凝胶对乙醇、大豆油、真空泵油和正己烷四种有机溶剂表现出较高的吸附能力，吸附量为其自重的21.5至78.2倍。尤其对二氯甲烷表现出了优异的吸附能力，最大吸附量高达98.92 g/g，超过了之前报道的几种吸附材料的吸附能力。

5. 经过5次循环吸油实验，M5C10仍然保持了良好的吸附效果，吸附量的减少率稳定在11%左右，具有优异的可回收利用性。

6. 该研究为解决环境污染问题提供了宝贵的见解，为油水分离领域的实际应用奠定了坚实的基础，具有重要的未来应用前景。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2073-4360/17/3/273

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/polymers

Polymers 期刊介绍

主编：Alexander Böker, University of Potsdam, Germany

期刊主题涉及聚合物化学、聚合物分析与表征、高分子物理与理论、聚合物加工、聚合物应用、生物大分子、生物基和生物可降解聚合物、循环和绿色聚合物科学、聚合物胶体、聚合物膜和聚合物复合材料等研究领域。

2023 Impact Factor：4.7

2023 CiteScore：8.0

Time to First Decision：14.5 Days

Acceptance to Publication：2.6 Days