木質(zhì)纖維素材料因其優(yōu)異的生物相容性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計性，成為去除飲用水中納米塑料的理想材料。天然木質(zhì)纖維素具備多層級、多相異質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，可通過精準(zhǔn)調(diào)控進一步優(yōu)化其界面特性，從而顯著提升其對納米塑料的捕獲效能。
廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院姜言副教授團隊取得重要研究進展，其研究成果揭示了纖維素納米纖絲組裝而成的納米紙在治理納米塑料污染方面的應(yīng)用潛力。該團隊通過實驗證實，纖維素納米紙可通過界面吸附與物理截留的協(xié)同作用高效捕獲水體中的納米塑料，其中本征半纖維素組分對提升捕獲效率具有關(guān)鍵作用（圖1、2）。研究團隊結(jié)合分子動力學(xué)模擬與材料表征技術(shù)，闡明了半纖維素增強捕獲性能的分子機制：1）半纖維素的高分子可及性和極性特性顯著增強了纖維素納米纖絲與納米塑料間的分子間相互作用（圖3）；2）半纖維素的非晶態(tài)及親水特性可調(diào)控纖維素納米纖絲自組裝過程，形成具有高比表面積和介孔結(jié)構(gòu)的納米紙（圖4），使其在動態(tài)水力條件下保持高通量捕獲能力。另外，該研究創(chuàng)新性地實現(xiàn)了污染物資源化利用——富集納米塑料的纖維素納米紙可加工成新型納米復(fù)合材料，兼具纖維素納米纖絲與石油基納米塑料的雙重功能優(yōu)勢（圖5）。研究的核心創(chuàng)新點在于：基于木質(zhì)纖維的本征組分特性，通過多尺度結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控，開發(fā)出高性能納米塑料捕獲材料，并為同步解決“納米塑料二次污染”與“木質(zhì)纖維資源化利用”難題提供了“一材雙效”的創(chuàng)新方案，實現(xiàn)了環(huán)境治理與資源循環(huán)的協(xié)同增效。該工作以“Leveraging Intrinsic Hemicellulose in Cellulose Nanopaper for Enhanced Nanoplastic Collection”為題發(fā)表在《ACS Nano》上（DOI: 10.1021/acsnano.5c05738）。文章第一作者是廣西大學(xué)碩士生肖璐。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金特別資助項目等的支持。
圖1 本征半纖維素通過調(diào)控纖維素納米纖絲的解離、自組裝行為及界面化學(xué)特性，強化納米紙的納米塑料捕獲行為
圖2 本征半纖維素增強纖維素納米紙的納米塑料捕獲能力和效率
圖3 分子動力學(xué)模擬揭示半纖維素增強納米塑料吸附的分子機制
圖4 本征半纖維素誘導(dǎo)形成高介孔結(jié)構(gòu)的纖維素納米紙
圖5 通過熱壓工藝將富集納米塑料的纖維素納米紙加工成高性能復(fù)合材料
該工作是團隊在本征半纖維素調(diào)控纖維素納米纖絲解離與重組理論領(lǐng)域取得的最新進展。當(dāng)前纖維素納米纖絲的可控制備及功能化研究多集中于纖維素本身的結(jié)構(gòu)特性，而對木質(zhì)素、半纖維素等非纖維素組分的協(xié)同作用機制缺乏系統(tǒng)性認(rèn)知。針對這一研究空白，團隊開展了系統(tǒng)性研究。近兩年來，利用離子液體-水共溶劑強化本征半纖維素的促微纖化效用，在溫和條件下從植物纖維中解離出高長徑比纖維素納米纖絲（L/D：2213）（Green Chem., 2024, 26: 879）；通過多尺度表征揭示了本征半纖維素對纖維素納米紙摩擦電極性的增強機制（Chem. Eng. J., 2025, 517: 164369）；利用極性共溶劑的強溶劑化效應(yīng)選擇性重構(gòu)纖維素微纖絲界面鍵合網(wǎng)絡(luò)，在溫和條件下實現(xiàn)了植物細(xì)胞壁的原位微纖化，創(chuàng)制出高強、高彈性、濕敏性的木質(zhì)纖維納米氣凝膠（Adv. Funct. Mater., 2025, 35: 2419155）。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c05738
- 中科院青島能源所制備出高濕強、高韌性兼具紫外屏蔽功能的纖維素納米紙 2018-06-06
