武汉大学邓红兵/赵泽团队 AFM：鱿鱼遇见花粉 - 甲壳素-花粉亲疏水协同组装全生物质海绵

武汉大学邓红兵/赵泽团队 AFM：鱿鱼遇见花粉 - 甲壳素-花粉亲疏水协同组装全生物质海绵 - 纳米塑料高效“清道夫”

2025-02-27 来源：高分子科技

纳米塑料已在环境及人体各器官中检出，其对生物和环境造成的危害日益受到关注，这使得人们迫切需要有效且可持续的去除方法。具有高比表面积的疏水性吸附材料在捕获疏水性纳米塑料方面很有前景，然而，要以一种环境友好、节能的方式实现这些性能仍然颇具挑战。

近日，武汉大学邓红兵教授、赵泽副教授等人采用协同亲水-疏水镶嵌策略，利用亲水性生物大分子β-甲壳素组装疏水花粉颗粒，得到花粉-甲壳素海绵。这种组装方式促进了疏水性颗粒和亲水性薄片之间的强烈互穿和相互连接，增强了疏水性花粉颗粒、水和纳米塑料之间的相互作用，海绵自身具备多孔结构，富含芳香环和乙酰氨基等独特成分。吸附位点的优化排列实现了对纳米塑料的高效去除，其吸附容量高达236.30 mg/g。去除过程主要由氢键相互作用、疏水相互作用、物理截留和π-π相互作用驱动。花粉-甲壳素海绵成功净化了多种塑料颗粒污染的废水，并在去除各种疏水性污染物方面展现出巨大优势和潜力。此外，该材料还表现出了可持续的回收性能。这种天然共组装体系代表了一种实用且可持续的多尺度、多组分生物质材料的组合，可用于减轻疏水性污染。相关工作以“Inherently Micro/Nano-Patterned and Hydrophobic-Hydrophilic Inlay Natural Material Assembly for Efficient Nanoplastics Removal”发表于《Advanced Functional Materials》。文章第一作者是武汉大学博士生刘方恬。该研究得到国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费专项资金项目的支持，这是继国际权威期刊 Science Advances、Advanced Functional Materials 和 ACS Nano 连续刊发团队在全生物质纤维框架材料去除微纳米塑料污染系列进展后取得的新成果。

图1.利用花粉和甲壳素的协同共组装策略去除纳米塑料。

花粉-甲壳素海绵的制备及形貌：花粉表面呈现出微纳图案化结构（如图 2a、b 和 c 所示），借助协同亲疏水镶嵌策略，β-甲壳素能够有效地提升花粉的水分散性（如图 2d、e、g 和 h 所示）。海绵中甲壳素片层与疏水颗粒均匀组装（如图2f，i和j所示），随花粉比例增加，海绵密度降低（图2k），孔隙率升高（图2l），孔径减小。

图2.花粉-甲壳素海绵制备及表征。

微塑料去除性能：选择100 nm聚苯乙烯微球作为模型污染物。花粉-甲壳素海绵具有良好的纳米塑料吸附能力，达236.30 mg/g，花粉与甲壳素质量比为3：1时，海绵吸附容量最高（如图3a-f所示）。花粉-甲壳素海绵在多种pH水体下展示出稳定的吸附性能，对不同粒径、电荷、种类微纳塑料均具有良好的吸附性能（图3g），可循环吸附10次（图3h）。选择不同花粉制备花粉-甲壳素海绵同样可高效去除纳米塑料（图3i），展现出亲疏水镶嵌策略的普适性。

图3.花粉-甲壳素海绵对纳米塑料的吸附性能。

花粉-甲壳素海绵吸附纳米塑料机制：通过水接触角（图4a）、zeta电位（图4b）、红外（图4c）、固体核磁（图4d）、XPS（图4e）等表征对花粉-甲壳素海绵去除纳米塑料的机制进行了探索，结果发现，纳米塑料吸附机制包括疏水、物理截留、静电和氢键相互作用（图4f）。花粉-甲壳素海绵的疏水性、表面电荷及乙酰氨基、多酚或黄酮等关键组分在吸附中发挥重要作用。

图4.花粉-甲壳素海绵去除纳米塑料机制

花粉-甲壳素海绵可持续利用：花粉-甲壳素海绵对工程纳米塑料颗粒和微米级塑料颗粒去除能力出色（如图5a-d所示）。同时，对于疏水性污染物也展示出增强的吸附性能（图5e-g），如药物和个人护理产品（布洛芬）、内分泌干扰化学物质（邻苯二甲酸二乙酯）、油和油溶性染料。由此看出，亲疏水镶嵌策略在去除疏水性污染物方面极具潜力。通过后处理手段，花粉-甲壳素板力学结构稳定性好，热稳定性和机械性能优良，利于后续可持续利用（图5h-j）。

图5.花粉-甲壳素海绵可持续利用

结论：本研究开发了一种协同生物质共组装策略，巧妙利用甲壳素基质平衡花粉的疏水性和水分散性，提供了一种环保的方法来有效吸附纳米塑料（NPs）。该体系利用了多种分子间作用力，包括疏水相互作用、氢键相互作用、物理截留、π-π相互作用和静电相互作用，实现了微纳米塑料的高效吸附。此外，花粉-甲壳素海绵在工程纳米塑料颗粒和微米级塑料颗粒的净化方面表现出色，在实际水体中保持了可靠的去除性能。其强大的循环吸附能力，以及去除其他疏水性污染物的潜力，如药物和个人护理产品（布洛芬）、内分泌干扰化学物质（邻苯二甲酸二乙酯）、油和油溶性染料等，凸显了保持花粉-甲壳素海绵结构完整性和成分功能的重要性。制备得到的天然疏水性生物质聚集体，通过生物质界面工程的合理设计和优化，有望成为疏水性污染物的高效吸附剂。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202418911

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（责任编辑：xu）

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