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  武漢大學資源與環境科學學院陳朝吉教授領導的“武漢大學生物質工程與可持續利用實驗室（X-Biomass Lab）”聚焦生物質資源，特別是農林廢棄生物質資源的綠色低碳轉化與高值利用，以天然材料解決可持續發展面臨的材料-能源-環境挑戰。近日，實驗室在生物質基功能材料及環境微塑料治理、能源儲存等領域取得一系列突破，相繼在Nature Water（《自然·水》）、Nature Communications（《自然·通訊》）、National Science Review（《國家科學評論》）、Advanced Materials（《先進材料》）發表。

1. Nature Water：仿生多功能集成磁性吸附劑，助力無標記微納塑料一體化“捕集-檢測-分析”

  每年數億噸塑料垃圾經風化破碎后產生微塑料（MPs）和納米塑料（NPs）。相較于MPs，NPs因粒徑極小且比表面積高，更易吸附有害物質并進入細胞，生態與健康風險嚴峻。然而，傳統水處理對<100 μm的塑料去除效果有限，納濾技術易堵塞。現有吸附劑多聚焦于微米級塑料，對超細NPs（<100 nm）的廣譜去除研究匱乏，且普遍存在平衡時間長、依賴外源性標記檢測的局限。同時，主流檢測技術受限于衍射極限、需復雜預處理和專業設備，無法滿足無標記NPs的快速現場分析需求。因此，開發兼具高效捕獲與即時檢測功能的集成平臺迫在眉睫。

  鑒于此，武漢大學陳朝吉教授團隊與華中師范大學龔靜鳴教授團隊合作研發了一種多功能銅摻雜聚多巴胺功能化磁性二氧化硅吸附劑（Fe?O?@SiO?@CP）。該材料集成了強大的界面粘附性、光熱活性及類漆酶催化活性，可在3分鐘內快速捕獲從納米到微米尺度的塑料顆粒，并能在溫和條件下實現多次循環利用。尤為關鍵的是，該吸附劑利用其類漆酶催化活性，將吸附事件轉化為比色信號，實現了對多種無標記納米塑料（包括<100 nm的超細顆粒）的現場檢測。結合機器學習方法，該平臺還能高特異性地區分塑料的種類和濃度。理論計算表明，非共價相互作用主導了吸附過程。在實際應用中，該吸附劑在自然水源及日常塑料用品（如塑料杯、碗、茶包）浸出液中成功實現了低濃度納米塑料的可靠捕獲與檢測。該策略以多功能集成設計，首次實現復雜水體無標記微納塑料的便攜式一體化“快速捕集-精準檢測-智能分析”，無需復雜的標記及昂貴的檢測分析設備，且對具有極低環境濃度微納塑料的實際水體（包括天然水體和日常生活用水）仍有效，為微納塑料的有效治理提供新的思路。相關研究成果近日以“Interfacial interaction-driven rapid capture and on-site analysis of nano- and microplastics enabled by multifunctional magnetic adsorbent”為題發表在最新一期《Nature Water》上。華中師范大學2021級博士研究生姚清鋒和武漢大學博士后徐超為本文共同第一作者，武漢大學陳朝吉教授和華中師范大學龔靜鳴教授為本文共同通訊作者。

  文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s44221-026-00610-3

圖1. 仿生多功能集成磁性吸附劑賦能無標記微納塑料的一體化“捕集-檢測-分析”

2. Nature Communications：木質素雙功能工程重構生物質，高效抗鹽太陽能淡化新突破

  全球淡水短缺問題日益嚴峻，太陽能驅動的界面蒸發技術憑借綠色、低成本、可再生的優勢，成為海水淡化領域的研究熱點。木質生物質作為天然的可再生高分子材料，憑借分層多孔結構、質輕浮水、各向異性導熱等先天優勢，成為制備太陽能蒸發器的理想基材。但現有木質基蒸發器始終受困于水管理低效、光熱轉換與可持續性難以兼顧的難題，如何突破這一瓶頸，成為科研人員的攻關重點。

  針對上述挑戰，北京林業大學袁同琦/沈曉駿教授團隊和武漢大學陳朝吉教授團隊跳出“完全脫除木質素”的傳統思路，合作提出“部分保留 + 高值化回收”的木質素雙功能工程策略，從組成與結構角度，重構木質生物質框架，既解決了水分管理與光熱轉換的核心問題，又實現了木質素的全量資源化利用，真正做到 “一舉多得”，為木質生物質基太陽能蒸發技術的產業化提供了綠色、低成本、可規模化的全新解決方案。相關研究成果近日以“Reconstitution of woody biomass framework via dual-functional lignin engineering toward efficient and salt-resistant solar desalination”為題發表于綜合性期刊《Nature Communications》。北京林業大學袁同琦教授、沈曉駿教授和武漢大學陳朝吉教授為論文共同通訊作者。

  文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70270-0

圖2. 木質生物質基太陽能蒸發器的“木質素雙功能重構”構筑策略與其內部“光-熱-水協同管理”機制示意圖

3. National Science Review：多譜學解析水分子微觀環境，精細還原離子液體雜化水系電解液液相結構

  自水系可充電池作為一種本征安全、經濟的儲能技術問世以來，如何突破其電解液電化學穩定窗口的局限便成為該領域的核心課題。具有里程碑意義的“鹽包水”（WiS）策略的提出為這一難題提供了開創性解決方案。然而，傳統WiS電解液的設計高度依賴具有高溶解度與優異穩定性的金屬鹽，像21 m LiTFSI和 (Li(TFSI)_0.7(BETI)_0.3?2H₂O)這類突破性電解液的發現，往往帶有一定的偶然性，甚至是“孤例式”的突破——它們并非從某一指導性理論直接推導而來，而是在大量嘗試中偶然被“挖掘”出來的,導致這類電解液的發展較為受限。

  基于此，武漢大學陳朝吉教授&余樂副研究員團隊以水分子為切入點，通過多種譜學手段聯用，建立了一套系統的實驗解析流程，精細還原了離子液體雜化高濃鹽水系電解液的微觀液相結構，成功構建了這類極具應用前景的電解液的“結構-性質-性能”構效關系，為高性能水系電池電解液的設計提供了新思路。研究通過對5種常用鋅鹽與5種常見離子液體進行了系統篩選，發現每種鋅鹽均可找到至少一種對其具有良好溶解能力的離子液體，且水與含鋅鹽的離子液體溶液普遍互溶。當水含量較低時，所得體系即可歸為“鹽包水”（WiS）電解液范疇；即便鋅鹽不溶于離子液體，水的引入亦可能誘導形成均一溶液。本文將此類由水、鋅鹽和離子液體構成的均相體系命名為“鹽/離子液體包水”[Wi(S/IL)]電解液。在由5種鋅鹽和5種離子液體形成的全部25個組合中，有16個具備形成Wi(S/IL)并用作水系鋅離子電池電解液的潛力，證實了該策略的通用性。相關研究成果近日以“Experimentally tracing water molecules and mapping high-resolution liquid structure pictures for promising water-in-salt/ionic liquid electrolytes”為題發表于中國科學院院刊《National Science Review》，武漢大學陳朝吉教授和余樂副研究員為通訊作者，余樂副研究員和2023級博士生王思俊為第一作者。

  文章鏈接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwag125/8509310

圖3. 不同組分離子液體雜化高濃鹽水系電解液微觀液相結構的聯合光譜分析

4. Advanced Materials：“分子積木”理念助力甲殼素基粘結劑的功能集成與定制

  水系鋅離子電池因其安全性高、成本低、環境友好，被認為是大規模儲能領域極具潛力的技術路線之一。然而，傳統鋅箔負極在厚度、成本和加工工藝上的局限，使其難以滿足實際應用需求。相較而言，鋅粉負極在容量調控與制造兼容性方面具有顯著優勢，但其在反復沉積/剝離過程中易發生體積變化劇烈、電極結構易失效等問題。作為連接活性物質與集流體的關鍵界面材料，粘結劑在調控電極力學性能、粘彈性及離子/電子傳輸行為中發揮著不可忽視的作用。現有商用粘結劑難以同時滿足這些需求，限制了鋅粉負極性能的進一步提升，亟需通過分子層級設計開發具備多重功能的新型粘結劑體系。

  武漢大學陳朝吉教授&余樂副研究員團隊提出一種功能導向的模塊化分子設計理念（也即“分子積木”設計理念），以天然豐富、機械強度優異的甲殼素為骨架，采用可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）聚合方法，合成了一種甲殼素基刷狀聚合物粘結劑（Chi-Binder），實現其多種功能模塊的集成與定制：甲殼素骨架提供優異的機械強度和豐富的活性位點；苯環結構通過π-π堆疊與導電劑產生相互作用；離子液體基團賦予材料自修復能力和強黏附性；丙烯酸單元能夠提升材料的力學柔韌性并促進Zn2?的配位傳輸（圖4）。采用該粘結劑制備的鋅粉負極在機械穩定性、電化學循環壽命以及高電流密度運行能力方面均表現出明顯提升，為高性能鋅基電池的開發提供了新思路。相關論文以“Function-Oriented Modular Molecular Design of a Chitin-Derived Self-Healable Binder for Promising Zinc Powder Anodes”為題發表于《Advanced Materials》。武漢大學2023級碩士研究生曾宣淯和2023級博士研究生王志強為本文共同第一作者，通訊作者為武漢大學陳朝吉教授和余樂副研究員。

  文章鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519775

圖4. 功能導向的模塊化分子設計理念（也即“分子積木”設計理念）實現甲殼素基粘結劑的功能集成與定制

  上述研究成果受到國家自然科學基金、武漢大學高層次引進人才啟動資金等的資助。研究也得到武漢大學科研公共服務條件平臺的材料表征支撐。

  更多信息見課題組網站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm