水溅到桌上，可以拿海绵吸，如果石油泄漏到海洋里呢？中国科学技术大学化学与材料科学学院教授俞书宏团队设计出一种具有原位加热和油水分离功能的石墨烯海绵，可快速吸附高黏度浮油。3日出版的《自然·纳米技术》杂志以封面文章对这一成果进行了报道。

论文第一作者葛进博士6日接受科技日报记者采访时表示，因具有成本低、吸附效率高、操作简单、环境友好等诸多优势，近年来多孔疏水亲油材料成为业界研究热点。然而，此前该材料仅对低黏度油品具有较高的吸附效率。海上石油泄漏时，短短几小时内，石油黏度就会增加上百倍，该材料难以快速吸附浮油。

为此，该团队采用离心辅助浸渍涂覆技术，在商业海绵表面，均匀地包裹上石墨烯涂层，得到的石墨烯海绵不仅导电，还具有疏水亲油特性。他们研究发现，在石墨烯海绵上施加电压后，产生的焦耳热会迅速降低石油的黏度，从而提高石油在石墨烯海绵内部的扩散系数，大大提高石墨烯海绵对高黏度石油的吸附速度。

为提高电能的利用率，他们将加热区域限制到石墨烯海绵的底部，顶层的海绵和水面的浮油相当于隔热层，缓解热量向空气和水体中扩散，提高热量向石油传递的效率。在这种限域加热设计下，电能消耗降低了65.6%，石墨烯的用量降低了50%，吸油时间也只有常温石墨烯海绵的5.4%。

图 1. 焦耳热辅助GWS快速清理水面高粘度原油的示意图

红色代表石墨烯包覆涂层的温度逐渐升高，暗棕色代表未被加热的高粘度原油，亮棕色代表原油被加热后粘度降低。

图 2. GWS的制备及其焦耳热效应

a. 制备GWS流程示意图；
b. 两个包覆氧化石墨烯（RGO）的三聚氰胺（MS）海绵（MS@RGO）的块材具有导电性和疏水性（内置小图表明水接触角为~131。）；
c.不同电压下MS@RGO（2.6 × 2.3 × 0.8 cm3）的电阻以及表面温度的变化（在转换工作电压之前使样品冷却至室温）；
d. 高粘度原油的照片（中国石油大学提供）；
e. 当未加电压（上）和加电压（下）时，一滴原油在MS@RGO表面的渗透行为对比。

图3. 焦耳热效应对吸附原油的动力学影响

a. 单位面积GWS吸附的原油重量（ms）与时间的平方根（t1/2）的关系，环境温度20℃；
b. 液体吸附因子（Ks∝a图曲线斜率）与原油温度的关系以及其表面张力（γ）与其粘度（μ）之比的平方根（[γ/μ]1/2，来源于e图）和原油温度的关系；
c. 原油密度（dl）与原油温度的关系以及原油温度与RGO接触角（θ）的关系（海绵孔内原有接触角与RGO接触角相近）；
d.dl[cosθ/2]1/2与原油温度的关系；
e. 原油表面张力（γ）、其粘度（μ）和原油温度的关系；
f. 在单位面积MS@RGO能量密度不同（即焦耳热量不同）情况下，吸附的原油重量（ms）与时间的平方根（t1/2）的关系，环境温度20℃，ts表示原油饱和吸附时间。

图4. 热量分布对吸附剂的热能利用率的影响

a. 不同电极结构下，在GWS-x和GWS-MS-x上模拟的温度分布，x表示电极高度，样品厚度5mm，电量输入为0.094Wcm-3，环境温度24℃；
b. 实验结果与a图的模拟结果相符；
c. 测量原油吸附剂下沉速度和油/水界面以下的水温变化的装置示意图；
d. 当电量输入为0.16Wcm-3时，GWS-x和GWS-MS-x的吸油时间随着电极厚度的变化而变化；
e. 当电极厚度不同时，GWS-x和GWS-MS-x上有不同的最大电量（逐渐增大电量直至闻到烧焦的味道，此时电量为Pmax）；
f. 当电量为Pmax时，GWS-x和GWS-MS-x上原油吸附时间与电极厚度的关系；
g. 当条件为GWS-x-Pmax和GWS-MS-x-Pmax时，电能与原油吸附时间的关系；
h. 当条件为GWS-MS-10-Pmax时，在原油吸附过程中模拟的传热过程。

图 5. 焦耳热对油回收速度的影响

a,b. 在25℃和75℃下，通过挤压GWS（材料应变从0~75%）回收高粘度原油的情况；
c,d. 利用泵吸GWS法，连续收集水面高粘度原油，操作电压为0V和17V。