中国科学家研发木棉纤维净水材料，照射2小时光降解性能提至90%以上，将木棉飞絮“变废为宝”
“我必须是你近旁的一株木棉，作为树的形象和你站在一起。根，紧握在地下；叶，相触在云里。每一阵风过，我们都互相致意。”很多人都学过诗人舒婷的《致橡树》。该诗发表于 1979 年，不少北方同学对于木棉花的第一印象，亦从这里开始建立。几十年后，英国曼彻斯特大学科学与工程学院刘旭庆教授和天津工业大学刘雍教授合作，以木棉树为灵感研发出一款绿色净水材料，其具备超 80% 的分解效率、以及优良的耐久性。
图 | 木棉树
只需照射 2 小时，光降解性能即可提至 90% 以上
当给该材料掺杂还原氧化石墨烯、并让其改性之后，在 21.85 W/dm2的光功率下，只需照射 2 小时，光降解性能即可提至 90% 以上。
为何刘旭庆会把木棉树作为研究对象？这是因为木棉开花后会形成木棉絮，棉絮中的纤维具备独特的中空结构，中空率能达到 86% 以上，并具备柔软、光滑、质轻、不易缠结、不霉不蛀等特性，是理想的吸收材料。
图 | 刘旭庆
但是，木棉纤维的抱合力差，长度上也够不着可纺长度，因此无法成为单独的纺织材料，此前一般多作为填充材料使用，严格意义来讲它算是一种废料和空气污染物。
而把它制成绿色净水材料，堪称“以废治废”“以污治污”。审稿人也认为该成果非常有趣，即使用传统观念上的植物废料来治理废水，利用木棉絮纤维表面的化学修饰构建出一个纤维表面的微平台，从而在纤维表面制备半导体颗粒。
2 月 21 日，相关论文以《超薄中空纤维负载交织的氧化锌用于紫外光辅助的污染物降解》（Entangled ZnO on Ultrathin Hollow Fibers for UV-Aided Pollutant Decomposition）为题，发表在 ACS-applied materials & interfaces 上。
其研究背景在于，近年来由于纺织、纸张或其他工业制造业的污染物，水溶性有机污染物的增加严重影响了环境。将受污染的水释放到生态系统中，对水生生物来说将是一场巨大的灾难。
因此，水溶液中的污染去除系统需要新的发展。越来越多的人正通过吸附过程和化学混凝技术，来减少污染和控制水污染。然而，传统吸附技术只能将有机污染物从水转移到固体基质上，这会导致二次污染，且需要进一步处理。
光催化是一种环保的污染物降解方法，在温和的反应条件下，利用太阳能激活催化过程。主要的光催化剂有氧化锌 （ZnO）、氧化钛 （TiO₂）、氧化锡 （SnO₂）、氧化锆 （ZrO₂）、和氧化铜 （CuO），它们已被作为光诱导氧化还原过程的增敏剂进行了广泛研究。
在这些金属氧化物中，氧化锌是一种无毒且相对经济有效的 n 型半导体，其宽带隙为 3.37eV，高结合能高达 60MeV。更重要的是，它是一种可调谐材料，对紫外光敏感，还可通过掺杂金属、或其他材料来提高其光催化性能。
以往研究中，氧化锌纳米晶体已广泛应用于水污染物处理领域，并用作紫外线阻挡材料、压电材料等。然而，氧化锌纳米晶体的可回收性未达到预期的话，粉末催化剂也会引入二次污染。此外，分散在水中的纳米晶体容易导致共珠，这会降低有效表面积，从而降低光催化降解的反应效率。
刘旭庆解释称，此前人们在光分解水中的污染物时，都是直接把材料以粉体的形式撒在需要处理的水体中。但是，他想把光催化剂负载到纤维上。普通的纤维一般是实心的，中空纤维将更有效提高催化剂和污水接触面积。后来，他发现木棉纤维具有中空结构。
用一种污染来治理另一种污染
因此，他打算用一种污染来治理另一种污染。目前，纺织产业在亚洲比较密集，染色时会造成严重的水污染问题，污水会通过水循环到达每个国家的水域，因此这是一个全球化难题。
污水处理还有很多其它方法，例如添加化学试剂或进行氧化，但这样会引入新的污染物，而光催化是利用催化作用，让染料分子在阳光或紫外光下自然分解，因此是一种绿色环保型技术。
研究前期，团队也曾尝试把光催化剂负载在纤维上，如果使用工厂做服装用的纤维价格会很昂贵，因此他们希望找到一种低成本、不会造成二次污染，同时吸水性比较好的纤维。
基于此，所需纤维的要素正式“浮出水面”：中空、且是纯天然的。中空结构可让材料充分与污染水体接触。此外相比化学纤维，天然纤维在使用后不会造成环境污染。经过很长一段时间的寻觅，他最终锁定木棉纤维。
目前，东南亚地区的纺织工厂非常密集，同时木棉纤维在东南亚的产量非常大，常被用于填充枕头或被子，因此取材方便、价格也低廉。
另外，将光催化剂负载在纤维上，更有利于催化剂的回收。接下来要做的，是让氧化锌光催化剂黏附在纤维表面。说到这里，刘旭庆举例称，当我们吃咖喱时，一旦咖喱掉在衣服上就很难去除。研究中他想到，传统化学染色能让色素牢牢黏附在衣服表面，故打算采用姜黄素染色的方法。
据此，他和团队提出一种新型的基于纤维表面的修饰技术——“π-π 修饰”，该技术具备较强的结合力，可让光催化剂稳定负载在纤维上。其中还有一个细节，尽管催化循环性能的实验耗时较长，但是材料在反复使用后，催化效率依然很高，这进一步节约了成本。
在纺织和工业革命的发源地建立纺织课题组
受疫情影响，本次木棉纤维的研究时间跨度比较长。期间，诸多限制政策使得实验室关闭了大半年，很多实验做到一半又要重新进行。但从研究本身来说，材料反复利用的效率很高，这对科研团队的鼓舞很大。
另外，木棉纤维的样本是在中国香港采集的。和很多北方人一样，关于木棉树的印象，刘旭庆也停留在课本上《致橡树》那首诗中，但是一直没有机会去看看真正的木棉树。他说：“第一次看见木棉树，才知道挺拔和秀美可以存在于一体。”
一直以来，纤维表界面的研究，都是该团队的重要研究方向之一。“我们也创造了新的科学方法论，即如何利用纤维表面分子去实现功能性的纤维。”刘旭庆表示。
接下来，他要做以下两件事。第一，继续挖掘天然中空木棉纤维的潜在应用价值。第二，把污水处理的方式结合起来，例如将光催化分解和膜过滤整合到一起，同时与更多污水处理公司进行合作。
总的来说，刘旭庆打算把研究集中在通过构建表面分子科学体系，去发展新的功能性纤维，以满足人类社会的需要。此外，他还将解决目前纺织行业的污水问题，开发一种真正能用于工业的技术，并在无需额外能量的同时实现污水净化处理，以符合全球碳中和的概念。
为应用而生：解决纺织废水难题
刘旭庆表示，本次成果一开始就是为应用而做，即解决纺织废水的问题。对他来说，要想实现应用，只需对该成果做放大化处理，并解决未来可能存在的问题即可。例如，让纤维表面处理过程的设备实现互相匹配，就能更快走向应用。
具体来说，该技术成本低所使用的原料，包括氧化锌、姜黄素、木棉纤维等很便宜，木棉纤维甚至是一种污染物，对其进行利用可谓变废为宝。同时，材料制备路线并不复杂，制备条件也不苛刻，水溶液中即可完成制备，比较符合工业化生产的需求。
他说，其所在的英国当地非常鼓励校企合作。目前，刘旭庆和外部企业正进行的一个合作是关于纺织面料数据库的工作，该成果旨在提升设计师的设计便捷度。最近，他正和欧洲一家著名时尚品牌在合作研发新型抗菌面料。
同时，其也参与过一些政府和政府之间的合作。例如，在新冠疫情伊始，他就做过关于抗埃博拉病毒口罩的研究，这是英国政府支援肯尼亚政府的一些工作。一旦进行抗菌或者抗病毒的研究，时间周期会比较长，因此抗菌产品的形态仍在探讨中。
据介绍，刘旭庆是山东人，虽然人在英国但一直积极促进中英纺织科学交流，目前担任旅英中国纺织服装协会主席和旅英华人化工协会委员等职务。近几年，他和国内多家研究机构联合发表过纺织类的研究论文。
如今扎身纺织类研究，还要从他兰州大学化学专业本科毕业之后说起。大学毕业后，他在中科院兰州物理化学研究所工作了几年，期间主要做润滑材料合成研究。2011 年，刘旭庆来到香港理工大学进行硕博连读，博士期间主要研究在纤维表面构建新分子结构，在此期间他也积累了纺织行业的相关知识储备。后来，他来到曼彻斯特大学，逐渐成长为该校纤维和纺织化学的学科带头人。
刘旭庆说：“曼彻斯特大学是纺织科学的发源地，也是第一次工业革命的发源地，历史悠久。到这里之后，我用六七年时间把课题组建立起来，现在团队有十几位成员，建立了多间纺织化学和纤维检测实验室。在这里我们主要开展功能性织物的相关研究，更多是瞄准如何给时尚市场提供新的面料，借此来解决纺织界存在的化学问题。同时，我和企业界的联系也比较紧密，且主要以解决纺织面料开发过程中的应用型问题为主。”
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支持：熊岳城
参考：
1、Wang, X., Xu, S., Chalmers, E., Chen, X., Liu, Y., & Liu, X. (2022). Entangled ZnO on Ultrathin Hollow Fibers for UV-Aided Pollutant Decomposition. ACS Applied Materials & Interfaces.
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