殼聚糖材料0614丨吉林大學CEJ論文丨一種基于殼聚糖的簡化纖維氣凝膠，用于太陽能驅動的水凈化與環(huán)境修復

2026年，《Chemical Engineering Journal》期刊在線發(fā)表了題為“A simplified chitosan-based fibrous aerogel for solar-driven water purification and environmental remediation”的研究性論文。在單次日光照射下，GCS /PPy的太陽能蒸發(fā)速率高達2.61 kg·m-2·h-1。該材料對含多種污染物的廢水仍能保持高效凈化性能。值得注意的是，通過充分發(fā)揮其三維多孔結構、熱局部化分布以及自助芬頓反應的協(xié)同效應， GCS /PPy集成了污染物捕獲、活性位點分散及熱增強芬頓反應，實現(xiàn)了材料再生與水環(huán)境修復的雙重目標。即使對于難降解的揮發(fā)性有機化合物（VOCs），其去除效率也超過97%。《Chemical Engineering Journal》期刊2025年影響因子為13.2，《Chemical Engineering Journal》是一份國際性的、同行評審的研究期刊，致力于發(fā)表高質量、原創(chuàng)和新穎的化學工程領域的研究成果。該雜志為基礎研究、解釋性綜述以及化學工程新興發(fā)展的討論提供了一個平臺。

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太陽能界面蒸發(fā)技術在廢水凈化領域備受關注，但存在工藝復雜、基質脆弱及效率較低等挑戰(zhàn)。本研究開發(fā)了一種基于殼聚糖的簡化復合纖維氣凝膠（GCS /PPy），其具有獨特的結構特性，可實現(xiàn)局部熱生成和原位光熱汽化。該材料獨特的連續(xù)纖維網(wǎng)絡結構結合纖維表面剛性的PPy涂層，使其具備優(yōu)異的彈性與全波段吸收能力。在水蒸發(fā)過程中， GCS /PPy呈現(xiàn)顯著的熱局部化分布：上表面為高溫區(qū)，側面為低溫區(qū)。由此，低溫區(qū)可可持續(xù)地利用環(huán)境能量以補償高溫區(qū)的熱量損失，實現(xiàn)了108%的光熱轉換效率，遠超理論極限。在單次日光照射下，GCS /PPy的太陽能蒸發(fā)速率高達2.61 kg·m-2·h-1。該材料對含多種污染物的廢水仍能保持高效凈化性能。值得注意的是，通過充分發(fā)揮其三維多孔結構、熱局部化分布以及自助芬頓反應的協(xié)同效應， GCS /PPy集成了污染物捕獲、活性位點分散及熱增強芬頓反應，實現(xiàn)了材料再生與水環(huán)境修復的雙重目標。即使對于難降解的揮發(fā)性有機化合物（VOCs），其去除效率也超過97%。實驗采用了“小而多”的策略進行戶外蒸發(fā)測試，借助 GCS /PPy材料的側表面積有效吸收了周圍環(huán)境中的熱能，這進一步驗證了其優(yōu)異的蒸發(fā)性能及大規(guī)模應用潛力。

全球水資源短缺與水體污染問題日益突出，傳統(tǒng)水處理與蒸餾技術能耗高、易造成二次污染，太陽能界面蒸發(fā)技術憑借可直接利用可再生太陽能、環(huán)境友好的優(yōu)勢，成為廢水凈化與淡水制備領域極具潛力的可持續(xù)技術，該技術依托氣液界面的材料特性強化光熱轉換與蒸汽生成，可替代傳統(tǒng)蒸餾工藝，近年來受到廣泛關注。現(xiàn)階段已有不少天然生物質基蒸發(fā)器等相關研究成果，能夠實現(xiàn)重金屬離子、染料等常規(guī)污染物的處理，并達到一定的光熱轉換效率與蒸發(fā)速率，但該技術整體仍存在制備工藝復雜、基體結構脆弱、能量利用效率偏低等短板，嚴重制約其在實際廢水處理場景中的規(guī)模化應用。為解決上述問題，具備高孔隙率、質輕、隔熱性能優(yōu)異等特點的氣凝膠成為太陽能蒸發(fā)體系的熱門基體材料。現(xiàn)有氣凝膠基蒸發(fā)器雖能憑借多孔結構減少熱量向水體散失，提升蒸發(fā)性能，但仍存在明顯缺陷：其一，多數(shù)多維結構氣凝膠依賴超臨界干燥、冷凍干燥等復雜制備工序，制備成本高、難以量產(chǎn)；其二，單純依靠蒸發(fā)作用難以同步去除廢水中揮發(fā)性有機物（VOCs）等難降解污染物；其三，若想在蒸發(fā)過程中實現(xiàn) VOCs 等污染物同步降解，需要將氣凝膠三維結構與芬頓反應等催化工藝結合，而如何打通材料制備、高效光能利用、污染物協(xié)同去除與材料再生的完整體系，成為當下該領域的核心研究方向。基于以上行業(yè)痛點，本研究旨在開發(fā)制備流程簡化、力學性能優(yōu)異、兼具高效太陽能蒸發(fā)與水體修復能力的殼聚糖基纖維氣凝膠，突破傳統(tǒng)氣凝膠的制造瓶頸，探索低成本、可規(guī)模化的制備路線，同時結合熱局域效應與自芬頓輔助反應，實現(xiàn)廢水多類污染物同步去除以及材料循環(huán)再生，推動太陽能界面蒸發(fā)技術走向實際應用。

摒棄傳統(tǒng)氣凝膠所需的冷凍干燥、超臨界干燥等復雜工序，僅通過靜電紡絲結合氣相改性即可制備GCS/PPy 殼聚糖基纖維氣凝膠，全程僅需 30 min，制備周期短、成本低，具備量產(chǎn)潛力。

材料形成連續(xù)三維纖維網(wǎng)絡，聚吡咯（PPy）構筑剛性骨架、戊二醛交聯(lián)提升穩(wěn)定性，兼具超彈性（70% 大壓縮應變可回彈）、超親水性與超低密度；同時纖維網(wǎng)絡形成豐富輸水通道，保水能力強，可實現(xiàn)自維持蒸發(fā)運行。

材料形成上表面高溫蒸發(fā)區(qū)、側面低溫區(qū)的熱分區(qū)結構：低溫區(qū)持續(xù)吸收環(huán)境熱能補償高溫區(qū)熱損失；加之中間態(tài)水占比提升，大幅降低水蒸發(fā)焓。

圖1。(a)三維靜電紡絲原理及GCS /PPy的制備過程；(b)靜電紡絲參數(shù)對樣品形貌的影響。

圖2.不同纖維氣凝膠的宏觀外觀、微觀形態(tài)及纖維直徑分布：(a–c) CS/Fe，(d–f) CS/PPy，(g–i) GCS /PPy。

3. (ad) CS/Fe(be) CS/PPy(cf ) GCS /PPy的擬合N1sFe2p XPS譜圖；(g) GCS /PPy在不同時間浸泡于去離子水后的鐵含量分布；(h) GCS /PPy在去離子水中浸泡7天后上下中部區(qū)域的鐵含量分布。

圖4。(a) GCS /PPy纖維氣凝膠的超輕特性；(b)CS/PPy與(c) GCS /PPy吸附水后的狀態(tài)；(d) GCS /PPy在吸附水分后于室溫下干燥24小時后的狀態(tài)；（e1–e4）GCS /PPy的WCA變化；（f1–f5）GCS /PPy的力學性能。

5. GCS /PPy的太陽能界面蒸發(fā)性能：(a1–a2)干燥條件下經(jīng)1次太陽輻照前后的紅外熱像圖；(b)紫外可見近紅外光譜；(c1–c2)自維持模式下經(jīng)1次太陽輻照前后的紅外熱像圖；持續(xù)供水條件下的水質量變化；(e) GCS /PPy中水的拉曼光譜。

6(a) GCS /PPy在太陽能蒸發(fā)過程中的能量交換；(b) GCS /PPy中水分傳輸與能量滯留的示意圖；(c)連續(xù)太陽能蒸發(fā)條件下GCS /PPy的紅外熱成像圖；持續(xù)光照10小時下GCS /PPy的太陽能蒸發(fā)速率；(e)實際應用照片；(f)9小時內室外陽光強度與蒸發(fā)速率的變化趨勢（實驗于2025723日吉林大學上午8:00至下午17:00進行）。7(a)不同廢水的太陽能蒸發(fā)速率；(b)染料（MB）廢水與(c)抗生素（AM）廢水在凈化前后的紫外可見光譜；凈化前后的重金屬離子濃度；(e)在不同模擬廢水及經(jīng)各種處理條件凈化后的水體中的去除率。8. OA/過氧化氫芬頓助劑與GCS /PPy再生系統(tǒng)的示意圖。

總之，這種基于殼聚糖的纖維氣凝膠（GCS /PPy）僅需極少量添加劑即可通過簡易方法制備。 GCS /PPy具有三維連續(xù)網(wǎng)絡結構，兼具卓越的機械彈性以及通過多級光反射實現(xiàn)的優(yōu)異光捕獲能力，從而確保高效的光熱轉換效率。基于纖維氣凝膠的結構特性（包括低熱導率、低蒸發(fā)焓和高比表面積）， GCS /PPy在水蒸發(fā)過程中表現(xiàn)出顯著的熱局部化分區(qū)現(xiàn)象：其上表面通過高效光熱轉換形成高溫區(qū)，而側面則通過冷蒸發(fā)形成持續(xù)低溫區(qū)。這種設計能精準地將熱量鎖定在高溫蒸發(fā)區(qū)，同時通過低溫區(qū)持續(xù)吸收環(huán)境能量。因此，GCS/PPy具有快速的太陽能蒸發(fā)速率（2.61 kg·m-2·h-1）和超過理論極限的光熱轉換效率（108%）。該材料在廢水處理領域應用廣泛，可有效去除包括有機染料、抗生素、重金屬離子及水包油乳液在內的多種污染物；此外，利用 GCS /PPy中穩(wěn)定的Fe2?離子，還可通過芬頓反應高效去除揮發(fā)性有機物并實現(xiàn)氣凝膠再生。這種創(chuàng)新方法為綠色廢水凈化提供了可持續(xù)且高效的太陽能驅動解決方案。

Ye Zhang, Taoming Yu, Wenjing Song, Lili Li, A simplified chitosan-based fibrous aerogel for solar-driven water purification and environmental remediation, Chemical Engineering Journal,536,2026,175820, https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175820.

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資料整理：徐澤恩（陽光凈水）

編輯：環(huán)境與能源功能材料

徐澤恩（陽光凈水課題組）

【資料整理】徐澤恩：資源與環(huán)境碩士研究生，研究方向為海水/廢水蒸發(fā)處理，發(fā)表中科院TOPSCI期刊論文3篇，參與浙江省自然科學基金項目2項，獲一等學業(yè)獎學金1次。

陽光凈水課題組：主要研究方向為殼聚糖功能材料、太陽能蒸發(fā)材料、磁性吸附材料、污染物吸附和環(huán)境催化反應機理。課題組主頁：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發(fā)材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產(chǎn)氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續(xù)殼聚糖基界面蒸發(fā)材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結了殼聚糖基太陽能界面蒸發(fā)器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應用。最后，總結了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰(zhàn)。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領域的工業(yè)應用，最新中科院分區(qū)：8.50/二區(qū)TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”綜述論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述殼聚糖基異相催化劑在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導體/殼聚糖基復合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機框架/殼聚糖基復合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復合材料（NZVMs@CSbMs）等5種Cat@CSbMs材料的制備策略及作為助催化劑、光催化劑、類芬頓試劑在處理各類廢水中的應用進展。該綜述不僅加深了對環(huán)境功能材料與環(huán)境污染控制作用的理解，也為未來Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和還原金屬離子等相關領域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用55次（Web of Science），國際引用占比73%，2025年5月起入選ESI高被引論文。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了 陽光凈水課題組 題為 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 綜述論文。本綜述全面總結了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點闡述了MoS2bMats在環(huán)境污染物吸附、光催化降解和還原、Fenton高級氧化、PMS/PS活化氧化、廢水脫鹽（膜過濾和太陽能蒸發(fā)脫鹽）等方面的應用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應用之間存在差距、工程挑戰(zhàn)、未來的研究方向和機遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用31 次（ Web of Science ）。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環(huán)境是未來最重要的要求之一。與傳統(tǒng)材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環(huán)保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環(huán)境修復和監(jiān)測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復合材料在環(huán)境修復與監(jiān)測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用69 次（ Web of Science ），國際引用占比65.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實現(xiàn)環(huán)境保護和資源利用非常重要。構建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰(zhàn)和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用 51 次（ Web of Science ）。

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