上海市科技奖励获奖成果科普化
特别报道
吸附，是指多组分液体或气体中的物质（即吸附质）通过物理作用或化学键与固体材料（即吸附剂）的表面结合。吸附是一种常见的分离方法，具有成本低、操作简单、效率高等优点，是环境保护领域最有前景的方法之一。
我们最耳熟能详的吸附剂大概就是活性炭了。活性炭表面有大量微孔，当气体进入这些微孔时，分子量较大或结构复杂的成分就会被捕捉并长时间留存下来，而分子量较小且结构简单的分子得以顺利穿过，这样就实现了气体中不同成分的分离。在新装修的房间里，我们有时会放一些活性炭来去除甲醛，就是利用了这个原理。
拿活性炭来举例子，是因为它的结构和吸附原理都比较简单，但像活性炭这么“简单”的吸附剂其实很难达到理想的吸附效果。我们常常需要吸附效率更高、吸附性能更好的吸附剂，以应对复杂多样的应用需求。怎样让吸附剂的效率更高、性能更好呢？2022年上海市科学技术奖二等奖获奖成果“高效碳基复合吸附剂性能调控和强化吸附机理”，就针对这个问题做出了大量创新工作。
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纳米限域增强吸附
纳米限域是最早在催化和表面科学领域提出的概念，后来在材料科学和工程领域也取得了广泛的应用。什么是纳米限域效应呢？当分子或其他粒子被限制在一个纳米级空间（即纳米限域空间）中时，这些粒子的物理和化学性质会由于其与限域空间的相互作用而发生显著变化，这就是纳米限域效应。
我们可以利用纳米限域效应，将反应物作为“客体”限制在主体材料的纳米空间内，从而制备出具有特殊性质的物质。广泛使用的主体材料包括碳材料、介孔硅、金属有机骨架化合物、多孔有机聚合物等，因为它们具有丰富的多孔结构以及可调节的孔径。
吸附是水处理的一种重要方法，其本质是污染物从水中被传输到吸附剂的活性位点。在这个过程中，吸附剂微孔中的水会由于纳米限域效应发生一些性质上的变化，这就极有可能对整个吸附过程造成重要影响。
许多与增强吸附有关的纳米限域效应已被报道。处于纳米限域空间中的水被称为“受限水”，它具有独特的有序结构，能够在通道中超快速运动。2001年，有研究人员发现，水分子在碳纳米管中可以形成一维水链，从而显著加快其输运速度。2016年，英国《自然》杂志报道的一项研究称，在一个精准构筑的二维石墨烯纳米通道中，水能够以一种近似无摩擦的状态高速运动。这些特性使受限水在纳米流体传输、分离和海水淡化等领域展现出应用潜力。因此，纳米限域增强吸附已成为一个有前景的研究热点，并引起了广泛的关注。
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神奇的纳米限域效应
纳米限域效应最早发现并应用于催化领域，巧妙运用纳米限域效应可以解决催化剂活性物种的化学价态难以控制、催化性能难以调控等难题。
例如，将三氧化二铁纳米粒子填充到碳纳米管中后，管内三氧化二铁的还原温度会低于直接附着在管外的纳米粒子。而且，管腔还能稳定配位不饱和的还原态金属物种，使碳纳米管内外的纳米粒子活性有较大的差别。
这是一个很奇妙的现象，为什么会出现这一现象呢？
原因在于，卷曲导致原本对称分配在碳纳米管两侧的电子云由管内向管外偏移，让原本惰性碳层的电子结构发生畸变，从而在管内外形成电势差，促进了管内纳米粒子的还原，形成配位不饱和的金属活性中心。这就像过于狭小的空间让人紧张不安一样，空间限制让其内部的金属催化剂“活泼”起来。碳纳米管独特的纳米级管腔结构及其电子限域环境，使管内物质性质改变，甚至诱导管内物质产生新的特性。事实上，除碳纳米管外，很多具有狭小空间的结构也可以产生纳米限域效应，如纳米级通道、金属氧化物界面、狭小的孔隙和空腔等。于是，纳米限域逐渐应用于材料合成等诸多领域。
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受限水“修饰”石墨烯水凝胶
“高效碳基复合吸附剂性能调控和强化吸附机理”这项研究有众多亮点成果，其中有一项尤为引人注目，那就是用受限水“修饰”石墨烯水凝胶，从而制备高效的水体净化吸附剂。
研究团队打破了用水作为溶剂的传统思路，在利用受限水作为水处理超级吸附剂的机理研究和应用拓展方面取得了重大进展。研究团队针对石墨烯水凝胶对水中抗生素、染料、重金属离子的吸附容量均明显优于石墨烯气凝胶这一现象，利用分子动力学模拟与实验结合的手段，揭示了其中的机理。研究发现，石墨烯水凝胶中的包埋水可以通过三重作用增强吸附性能：其一是作为骨架支撑三维孔道结构，其二是提供与污染物分子（在该研究实验中为环丙沙星）形成氢键的活性位点，其三是构建污染物的传输通道。这项研究展示了石墨烯水凝胶在环境吸附领域尤其是水处理领域的广阔应用前景，为理解纳米结构中包埋水在吸附中的作用提供了新的观点。
在此基础上，研究团队又通过调节pH值实现了对石墨烯水凝胶中受限空间和受限水性质的调控，并对石墨烯水凝胶中具有完整氢键结构的体相水（体相水一般指游离水，与受限水相对）和具有特殊氢键结构的受限水进行了定性和定量分析。结果发现：石墨烯水凝胶中受限水的含量主要受受限空间中的微孔比表面积和含氧量的影响；包埋水中的体相水主要通过上述3种作用中的第一种和第三种作用增强吸附；而受限水含量与对污染物（即环丙沙星）的吸附容量呈显著正相关，表明第二种作用主要由受限水中特殊氢键结构增强的氢键强度导致。随后，研究团队采用受限水“修饰”几种不同孔径的多孔吸附剂，其吸附性能均得到了不同程度的提升，展示了受限水在水体净化中的应用潜力。
选自《科学画报》2023年第11期
