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武漢大學鄧紅兵/趙澤團隊 AFM：魷魚遇見花粉 - 甲殼素-花粉親疏水協同組裝全生物質海綿 - 納米塑料高效“清道夫”
2025-02-27  來源：高分子科技

  納米塑料已在環境及人體各器官中檢出，其對生物和環境造成的危害日益受到關注，這使得人們迫切需要有效且可持續的去除方法。具有高比表面積的疏水性吸附材料在捕獲疏水性納米塑料方面很有前景，然而，要以一種環境友好、節能的方式實現這些性能仍然頗具挑戰。


  近日，武漢大學鄧紅兵教授、趙澤副教授等人采用協同親水-疏水鑲嵌策略，利用親水性生物大分子β-甲殼素組裝疏水花粉顆粒，得到花粉-甲殼素海綿。這種組裝方式促進了疏水性顆粒和親水性薄片之間的強烈互穿和相互連接，增強了疏水性花粉顆粒、水和納米塑料之間的相互作用，海綿自身具備多孔結構，富含芳香環和乙酰氨基等獨特成分。吸附位點的優化排列實現了對納米塑料的高效去除，其吸附容量高達236.30 mg/g。去除過程主要由氫鍵相互作用、疏水相互作用、物理截留和π-π相互作用驅動。花粉-甲殼素海綿成功凈化了多種塑料顆粒污染的廢水，并在去除各種疏水性污染物方面展現出巨大優勢和潛力。此外，該材料還表現出了可持續的回收性能。這種天然共組裝體系代表了一種實用且可持續的多尺度、多組分生物質材料的組合，可用于減輕疏水性污染。相關工作以“Inherently Micro/Nano-Patterned and Hydrophobic-Hydrophilic Inlay Natural Material Assembly for Efficient Nanoplastics Removal”發表于《Advanced Functional Materials》。文章第一作者是武漢大學博士生劉方恬。該研究得到國家自然科學基金委和中央高校基本科研業務費專項資金項目的支持，這是繼國際權威期刊 Science Advances、Advanced Functional Materials 和 ACS Nano 連續刊發團隊在全生物質纖維框架材料去除微納米塑料污染系列進展后取得的新成果。


圖1.利用花粉和甲殼素的協同共組裝策略去除納米塑料。


  花粉-甲殼素海綿的制備及形貌：花粉表面呈現出微納圖案化結構（如圖 2a、b 和 c 所示），借助協同親疏水鑲嵌策略，β-甲殼素能夠有效地提升花粉的水分散性（如圖 2d、e、g 和 h 所示）。海綿中甲殼素片層與疏水顆粒均勻組裝（如圖2f，i和j所示），隨花粉比例增加，海綿密度降低（圖2k），孔隙率升高（圖2l），孔徑減小。


圖2.花粉-甲殼素海綿制備及表征。


  微塑料去除性能：選擇100 nm聚苯乙烯微球作為模型污染物。花粉-甲殼素海綿具有良好的納米塑料吸附能力，達236.30 mg/g，花粉與甲殼素質量比為3：1時，海綿吸附容量最高（如圖3a-f所示）。花粉-甲殼素海綿在多種pH水體下展示出穩定的吸附性能，對不同粒徑、電荷、種類微納塑料均具有良好的吸附性能（圖3g），可循環吸附10次（圖3h）。選擇不同花粉制備花粉-甲殼素海綿同樣可高效去除納米塑料（圖3i），展現出親疏水鑲嵌策略的普適性。


圖3.花粉-甲殼素海綿對納米塑料的吸附性能。

  花粉-甲殼素海綿吸附納米塑料機制：通過水接觸角（圖4a）、zeta電位（圖4b）、紅外（圖4c）、固體核磁（圖4d）、XPS（圖4e）等表征對花粉-甲殼素海綿去除納米塑料的機制進行了探索，結果發現，納米塑料吸附機制包括疏水、物理截留、靜電和氫鍵相互作用（圖4f）。花粉-甲殼素海綿的疏水性、表面電荷及乙酰氨基、多酚或黃酮等關鍵組分在吸附中發揮重要作用。


圖4.花粉-甲殼素海綿去除納米塑料機制


  花粉-甲殼素海綿可持續利用：花粉-甲殼素海綿對工程納米塑料顆粒和微米級塑料顆粒去除能力出色（如圖5a-d所示）。同時，對于疏水性污染物也展示出增強的吸附性能（圖5e-g），如藥物和個人護理產品（布洛芬）、內分泌干擾化學物質（鄰苯二甲酸二乙酯）、油和油溶性染料。由此看出，親疏水鑲嵌策略在去除疏水性污染物方面極具潛力。通過后處理手段，花粉-甲殼素板力學結構穩定性好，熱穩定性和機械性能優良，利于后續可持續利用（圖5h-j）。


圖5.花粉-甲殼素海綿可持續利用


  結論：本研究開發了一種協同生物質共組裝策略，巧妙利用甲殼素基質平衡花粉的疏水性和水分散性，提供了一種環保的方法來有效吸附納米塑料（NPs）。該體系利用了多種分子間作用力，包括疏水相互作用、氫鍵相互作用、物理截留、π-π相互作用和靜電相互作用，實現了微納米塑料的高效吸附。此外，花粉-甲殼素海綿在工程納米塑料顆粒和微米級塑料顆粒的凈化方面表現出色，在實際水體中保持了可靠的去除性能。其強大的循環吸附能力，以及去除其他疏水性污染物的潛力，如藥物和個人護理產品（布洛芬）、內分泌干擾化學物質（鄰苯二甲酸二乙酯）、油和油溶性染料等，凸顯了保持花粉-甲殼素海綿結構完整性和成分功能的重要性。制備得到的天然疏水性生物質聚集體，通過生物質界面工程的合理設計和優化，有望成為疏水性污染物的高效吸附劑。


  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202418911

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（責任編輯：xu）
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