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武漢大學(xué)鄧紅兵/趙澤團隊 AFM：魷魚遇見花粉 - 甲殼素-花粉親疏水協(xié)同組裝全生物質(zhì)海綿 - 納米塑料高效“清道夫”

2025-02-27 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：協(xié)同生物質(zhì)共組裝甲殼素疏水性水分散性吸附納米塑料

納米塑料已在環(huán)境及人體各器官中檢出，其對生物和環(huán)境造成的危害日益受到關(guān)注，這使得人們迫切需要有效且可持續(xù)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(huán)境友好、節(jié)能的方式實現(xiàn)這些性能仍然頗具挑戰(zhàn)。

近日，武漢大學(xué)鄧紅兵教授、趙澤副教授等人采用協(xié)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(jié)構(gòu)，富含芳香環(huán)和乙酰氨基等獨特成分。吸附位點的優(yōu)化排列實現(xiàn)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(qū)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(xiàn)出巨大優(yōu)勢和潛力。此外，該材料還表現(xiàn)出了可持續(xù)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(xù)的多尺度、多組分生物質(zhì)材料的組合，可用于減輕疏水性污染。相關(guān)工作以“Inherently Micro/Nano-Patterned and Hydrophobic-Hydrophilic Inlay Natural Material Assembly for Efficient Nanoplastics Removal”發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。文章第一作者是武漢大學(xué)博士生劉方恬。該研究得到國家自然科學(xué)基金委和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目的支持，這是繼國際權(quán)威期刊 Science Advances、Advanced Functional Materials 和 ACS Nano 連續(xù)刊發(fā)團隊在全生物質(zhì)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(xié)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(xiàn)出微納圖案化結(jié)構(gòu)（如圖 2a、b 和 c 所示），借助協(xié)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(zhì)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(wěn)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(huán)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(xiàn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(guān)鍵組分在吸附中發(fā)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(xù)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(chǎn)品（布洛芬）、內(nèi)分泌干擾化學(xué)物質(zhì)（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(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性和機械性能優(yōu)良，利于后續(xù)可持續(xù)利用（圖5h-j）。

圖5.花粉-甲殼素海綿可持續(xù)利用

結(jié)論：本研究開發(fā)了一種協(xié)同生物質(zhì)共組裝策略，巧妙利用甲殼素基質(zhì)平衡花粉的疏水性和水分散性，提供了一種環(huán)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(xiàn)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(xiàn)出色，在實際水體中保持了可靠的去除性能。其強大的循環(huán)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(chǎn)品（布洛芬）、內(nèi)分泌干擾化學(xué)物質(zhì)（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(jié)構(gòu)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(zhì)聚集體，通過生物質(zhì)界面工程的合理設(shè)計和優(yōu)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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