研究背景

随着石油开采和运输的增加，海上溢油事故频繁发生，对海洋生态系统、人类健康以及经济发展造成了严重危害。然而，原油的高粘度和低流动性阻碍了其被多孔吸附剂吸附，如何在提高多孔材料的表面稳定性的同时，能在各种天气条件下实现对高粘度原油的有效吸附，成为了当前亟待解决的问题。因此，迫切需要研发具有优异光/电热转换性能的油水分离材料以实现全天候快速有效的清理海上溢油。

文章要点

本文受蛾眼结构的启发，通过电化学聚合方法将聚吡咯纳米线阵列（PPy NWAs）生长在三聚氰胺泡沫（MF）上，制备了一种分级结构的吸附材料，其中一维有序的PPy纳米线垂直生长在三维MF骨架上。排列整齐的PPy NWAs增强了材料的疏水性（水接触角为151.0°），并具有毛细管效应，从而实现了高效的原油吸附能力（81.0 g/g）。由于连续的PPy网络结构，MF@PPy泡沫表现出显著的光捕获效果，光吸收率高达98.8%，并且具有良好的电导率（201 S/m）。在模拟光照（1 sun）下，其表面温度可以迅速升至85.5℃，而在2V的电压下，表面温度可升至88.1℃。此外，光热效应和超疏水性诱导了马兰戈尼效应，从而实现了可控的光驱动运动。使得MF@PPy泡沫可以通过远程操作，在光驱动和泵辅助系统的作用下从水面上连续清除原油。本研究通过构建具有蛾眼结构的PPy NWAs，为开发原油吸附材料提供了新的思路，展示了其在全天候原油吸附方面的巨大潜力。

图文展示

图1. (a)制备MF@PPy/PDMS泡沫的示意图。(b)蛾眼结构的MF@PPy/PDMS泡沫用于全天候原油清理的示意图

图2. PPy NWAs随聚合时间增加的形貌变化。(a)三聚胺氰泡沫（MF），(b) MF@PPy-1，(c) MF@PPy-2，(d) MF@PPy-3。对应的水接触角(WCA)分别为：(e) MF，(f) MF@PPy-1，(g) MF@PPy-2，(h) MF@PPy-3。(i)示意图显示PPy NWAs增强泡沫的疏水性。

图3. MF@PPy 泡沫的结构表征。(a) MF和MF@PPy-3泡沫的拉曼光谱。(b) MF@PPy-3和 MF@PPy-3/PDMS泡沫的XPS谱图。MF@PPy-3/PDMS泡沫的(c) C 1s、(d) N 1s、(e) O 1s 和 (f) Si 2p的高分辨率峰。(g) MF@PPy-3/PDMS泡沫的EDS元素分布图。

图4. MF@PPy/PDMS的光热转换性能。(a) MF和MF@PPy/PDMS泡沫的反射率，(b)透射率，(c)吸收率。(d, e) MF和MF@PPy/PDMS泡沫在模拟1个太阳光照下的时间-温度曲线图及对应的热成像照片。(f, g) MF@PPy-3/PDMS在不同模拟太阳光照强度（1、1.5和2 sun）下的时间-温度曲线图及对应的热成像照片。(h) MF@PPy泡沫中光传播路径的示意图。三维微通道和一维PPy NWAs使光在泡沫中多次反射，从而减少透射并增强光吸收。

图5. MF@PPy/PDMS的电热转换性能。(a)不同聚合时间下MF@PPy和MF@PPy/PDMS泡沫的电导率。(b)泡沫内部电子传输路径的示意图。(c, d) MF@PPy/PDMS在2V电压下的时间-温度曲线图及热成像照片。(e, f) MF@PPy-3/PDMS在不同输入电压（1、1.5和2V）下的时间-温度曲线图及热成像照片。

图6. MF@PPy/PDMS的油吸附性能。MF@PPy/PDMS泡沫吸收(a)轻质油和(b)重质油的图片。(c) MF@PPy/PDMS泡沫对各种有机溶剂的吸附能力。(d)各种吸附材料的饱和吸附容量的比较。(e) MF@PPy/PDMS泡沫对不同油的吸附能力。(f)经多次压缩循环后的MF@PPy/PDMS泡沫的水接触角（WCA）。(g)不同聚合时间下MF@PPy/PDMS泡沫对润滑油的饱和吸附时间。(h)毛细管流动促进原油通过微纳通道的示意图。

图7. (a)温度对高粘度原油粘度的影响。(b)在未加热、模拟光照（1 sun）和通电（2 V）条件下，原油在MF@PPy/PDMS泡沫表面的渗透行为及其热红外热成像图。(c)模拟光照（1 sun）和(d)2 V电压下原油的吸附行为的图片。

图8. 展示了在不同条件下连续吸附原油的过程。(a)光照/电源关闭，(b)光照开启，(c)电源开启。(d) MF@PPy/PDMS泡沫在光照和通电条件下用于原油吸附的示意图。

图9. 近红外激光驱动下MF@PPy-3/PDMS泡沫在水面上进行(a)直线运动和(b)曲线运动的数码图像及驱动力示意图。(c) MF@PPy-3/PDMS泡沫在近红外激光照射下动态清理油污的过程。

本工作以“Bio-inspired polypyrrole nanowire arrays on melamine foam with high-performance photo/electro-thermal conversion for all-weather cleanup of crude oil”为题发表在材料科学类二区期刊《Journal of Materials Chemistry A》(IF:10.7)上。论文的第一作者为ylzz总站线路检测中心2023级硕士生汪琴，通讯作者为ylzzcom永利总站线路检测祁晓东副教授和王勇教授。

Qin Wang, Yu-long Liu, Zi-jie Huang, Zi-cheng Tang, De-xiang Sun, Jing-hui Yang, Xiao-dong Qi*, Yong Wang*. Bio-inspired polypyrrole nanowire arrays on melamine foam with high-performance photo/electro-thermal conversion for all-weather cleanup of crude oil. Journal of Materials Chemistry A, 2025, 13, 8594-8607.

王勇，教授，博士生导师，德国洪堡学者，主要从事结构/功能一体化先进高分子复合材料的研究。主持国家自然科学基金(6项)、教育部新世纪优秀人才基金、四川省青年科技创新团队、四川省科技厅重大成果转化项目、四川省杰出青年基金、四川省自然科学基金重点项目等项目30余项；在Prog. Poly. Sci.、Nano-Micro Lett.、Macromolecules等期刊发表论文300余篇，他引10000余次；以副主编身份出版教指委规划教材1本，参编英文专著1部；授权发明专利24件。研究成果获得2021年度四川省技术发明二等奖、2018年度四川省自然科学二等奖、2006年度全国百篇优秀博士论文提名论文等。

祁晓东，副教授，硕士生导师。2017年毕业于四川大学高分子科学与工程学院，同年进入ylzz总站线路检测中心工作。主要从事聚合物基相变储能材料的研究，主持国家自然科学基金青年基金、四川省自然科学基金面上项目、四川省科技厅重点研发项目等10余项；以第一作者或通讯作者发表30余篇SCI论文，相关成果发表在Prog. Poly. Sci.、Nano-Micro Lett等，单篇最高被引308次，ESI高被引论文3篇；授权国家发明专利5项，撰写英文专著章节1章，获得2021年度四川省技术发明奖二等奖，入选2022~2024年度斯坦福全球前2%科学家榜单。