Нанокомпозитные аэрогели rGO/BC демонстрируют многократное поглощение органических растворителей и масел с повышенной огнестойкостью

Уборка разливов умными губками

Нефтяные и химические разливы в воде традиционно трудно и дорого устранять. Материалы, которые используются сегодня, способны впитывать загрязнители, но часто легко горят, разрушаются после нескольких применений или сами по себе неблагоприятны для окружающей среды. В этом исследовании представлен новый тип ультралёгкой «умной губки» — нанокомпозитного аэрогеля, созданного из натуральной бактериальной целлюлозы и листовидного углерода, называемого оксидом графена, — который может многократно впитывать органические жидкости из воды, одновременно противостоя огню и сохраняя структурную стабильность.

Создание лучшей губки из природы и углерода

Исследователи начали с бактериальной целлюлозы — сети крошечных растоподобных волокон, производимой микроорганизмами, ценимой за возобновляемость, нетоксичность и высокую пористость. Однако сама по себе она не идеальна для улавливания маслянистых загрязнителей и легко повреждается при нагреве. Чтобы повысить её характеристики, команда соединила эту целлюлозную сеть с оксидом графена — углеродным материалом из ультратонких листов, украшенных кислородсодержащими группами. При смешивании в воде и последующей лиофилизации два ингредиента переплетаются в трёхмерный, перышкообразно лёгкий аэрогель с сетью пор и каналов. Регулируя соотношения смешивания (от равных частей до оболаданных целлюлозой смесей) и интенсивность гомогенизации, учёные настроили степень равномерного распределения оксида графена в каркасе целлюлозы и прочность и открытость полученной структуры.

Настройка поверхности для селективного впитывания

Простого сочетания двух компонентов оказалось недостаточно. Ключ к превращению этих аэрогелей в мощные губки для загрязнений заключался в «восстановлении» оксида графена — удалении многих его кислородных групп, чтобы сделать поверхность более углеродной и водоотталкивающей. Команда испытала несколько стратегий: химическую обработку гидразином или этилендиамином, более экологичные способы с использованием витамина C (аскорбиновой кислоты) и обработку водородом при высокой температуре. Некоторые методы применялись к уже сформированному аэрогелю, другие — до формирования. Каждый путь изменял степень гидрофобности материала, количество дефектов в углеродных листах и прочность связи между углеродом и целлюлозой. Измерения удельной поверхности, размера пор и химических признаков показали, что правильная обработка может значительно увеличить внутреннюю площадь, доступную для удержания жидкостей, при сохранении пористой сети.

Многократное впитывание растворителей

Для оценки эффективности аэрогели погружали в различные органические жидкости и масла, включая распространённые промышленные растворители и модельные масла, как в чистом виде, так и в смесях с водой. Наилучшим образом показал себя образец с повышенным содержанием целлюлозы, помеченный как rGO/BC-90G: сначала графен восстанавливали с помощью витамина C, затем вводили небольшую молекулу-сшиватель для связывания углерода и целлюлозы. Эта версия достигла удельной поверхности более чем вдвое превышающей значение у не обработанного композита и могла поглощать свыше 100× собственного веса в некоторых растворителях — до примерно 116 граммов дихлорметана на грамм аэрогеля. Другие варианты были настроены на сильную водоотталкивающую способность, чтобы плавать на поверхности воды и выборочно втягивать капли масла или растворителя, оставляя воду позади. Важно, что эти аэрогели можно выжимать или сушить и использовать повторно по крайней мере пять раз, при этом они сохраняют большую часть первоначальной впитывающей ёмкости, что делает их более практичными для реальной очистки.

Устойчивость к нагреву и пламени

Кроме способности впитывать разливы, новые материалы должны быть безопасны в горячих или опасных условиях. Команда провела контролируемые нагревательные испытания, чтобы проследить потерю массы аэрогелей при их разложении; это показало, как разрушаются компоненты целлюлозы и углерода и насколько прочны их связи. Аэрогели с более высоким содержанием графена обладали большей термостойкостью, а некоторые восстановленные версии, особенно те, которые были сшиты после восстановления, показали особенно высокую устойчивость. Испытания прямым пламенем продемонстрировали, что в то время как чистая бактериальная целлюлоза легко горит, оптимизированные нанокомпозиты образуют защитный слой углеродного остатков (шар), сопротивляются горению и даже защищали хрупкие цветы, помещённые под ними во время эксперимента. Это сочетание термостойкости, механической стабильности и малой массы привлекательно в ситуациях, где риск пожара и химических разливов может сочетаться.

Новые инструменты для более чистой воды

В целом работа показывает, что тщательно сконструированные смеси бактериальной целлюлозы и углеродных материалов, полученных из графена, могут служить многоразовыми сорбентами с высокой ёмкостью для органических растворителей и масел, которые также выдерживают нагрев и пламя. Путём тонкой настройки методов восстановления углерода и способов его связывания с сетью целлюлозы исследователи создали аэрогели, которые выборочно улавливают загрязнители из воды, могут использоваться многократно и остаются структурно прочными. Для неспециалистов главный вывод таков: сочетание природной волоконной сети с продуманной углеродной химией даёт многообещающий новый класс экологичных материалов для очистки загрязнённой воды и более безопасного и устойчивого управления промышленными разливами.

Цитирование: Khalili, E., Heidari, H. rGO/BC nanocomposite aerogels exhibit recyclable adsorption of organic solvents and oils with enhanced flame resistance. Sci Rep 16, 11819 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41010-7

Ключевые слова: уборка разливов нефти, графеновые аэрогели, бактериальная целлюлоза, очистка воды, многоразовые сорбенты