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“疯狂”的木头：不做家具做滤膜
你没有看错题目，今天这项研究的主角是木头。美国马里兰大学胡良兵教授（点击查看介绍）课题组的研究人员首次在木头的孔道中原位生长钯（Pd）纳米粒子，实现了动态的染料降解过程，相关论文发表在最新的ACS Nano 上。
从结构上讲，木头的确有做膜的潜质——沿着木头的生长方向，排列着相对直通的孔道。不过，木头内部孔道尺寸较大，有几十甚至几百微米，这使得木头无法通过孔径筛分的方式来过滤污水。然而，膜的功能不仅仅只有作为选择性的物理屏障这一种。膜的多孔结构可以提供较大的表面（或者说与料液的接触面积），这使其可作为优良的载体，而膜的另一个功能是强制传质。因此，这项工作另辟蹊径，将具有催化功能的催化剂复合在木头表面，使染料废水通过膜的孔道时能够被催化降解。
木头膜制备示意图。图片来源：ACS Nano
研究中作者选择了椴木作为膜材料，木头表面的木质素为Pd(II)提供了合适的还原剂，而纤维素表面富含的羟基则为Pd纳米粒子提供了很好的结合位点，以保证纳米粒子能够稳定的固定在通道表面，纳米粒子尺寸约为5 nm。
木头膜及Pd纳米粒子结构。图片来源：ACS Nano
木头孔道中的横向纹路一定程度上提升了料液与催化剂之间的相互接触。上述木头膜也展现出十分优异的染料降解性能：加入NaBH4（贵金属催化中常见的还原剂，100 mg/L）的亚甲基蓝（30 mg/L）溶液在重力作用下流过木头膜后，会变成清澈的无色液体。进一步的研究表明，在40 mg/L的浓度以下，木头膜对染料的降解效率都能达到99.8%，而在所有pH的测试范围内，其降解效率也同样在99.8%以上。上述测试中木头的厚度为5 mm。
木头膜孔道中的条纹结构及其分离亚甲基蓝的效果。图片来源：ACS Nano
除了降解效率，膜的通量也是非常重要的评价指标。木头膜因为具有非常大的孔径，因此其通量也非常高，在1×105 L/m2h下依旧能达到99%的降解效率。值得一提的是，除了催化剂本身的高覆盖率及高活性，研究者们认为，木头中独特的弯曲孔道一定程度促进了污染物在孔道的扩散过程并提高了与表面催化剂的接触效率，同时弯曲结构也降低了液体流速，从而提高了其与料液的接触时间。
相信这项工作对膜研究者们是一个启发：当我们专注于传统意义上的膜材料时，许多具有优异结构的天然材料往往被我们忽略了，说不定你身边的花花草草，都蕴藏着无穷的潜力。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Mesoporous, Three-Dimensional Wood Membrane Decorated with Nanoparticles for Highly Efficient Water Treatment
ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b01350
导师介绍
胡良兵
http://www.x-mol.com/university/faculty/35057
（本文由YHC供稿）