转自生物基能源与材料
第一作者：吴洋
该研究通过甲壳素和纤维素的超分子自组装，开发了一种可持续的环境适应性强的吸附剂。这种生物质纤维框架（Ct-Cel）对聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯具有优异的吸附性能。对不同微塑料的亲和力归因于不同微塑料与Ct-Cel之间多种分子间相互作用的转化。同时，Ct-Cel对水中多种污染物具有较强的抵抗力，与微生物和Pb2+共存时，吸附能力增强。此外，Ct-Cel对4种真实水中微塑料去除率可达98.0%~99.9%，经过5次吸附循环后，其去除效率可达95.1~98.1%。该研究可能会为功能性生物质材料在复杂水生环境中低成本高效率地修复微塑料开辟前景。
研究人员探索了一种简单且可持续的策略，该策略基于质子化胺（Ct，来自鱿鱼骨）和悬浮纤维素纤维（Cel，来自棉花）构建剥离的β-甲壳素纳米纤维片超分子框架，从而制造出用于快速去除微塑料的纯生物质纤维泡沫（Ct-Cel）。Ct和Cel的自组装可以由氢键驱动，不需要任何交联剂。
获得的Ct-Cel具有高度多孔的互连结构，粗糙且带正电的表面，以及许多活性位点（-OH，-NH3+和-NHCO-），这确保了多级相互作用以高效去除微塑性。特别研究了聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的吸附性能，探讨了不同分子间相互作用的影响。
为了更好地理解吸附机理，研究人员进行了分子动力学MD模拟和Hirshfeld划分[基于Hirshfeld原子空间划分（IGMH）的独立梯度模型]计算研究。研究人员进一步揭示了Ct-Cel在各种环境条件下的吸附稳定性，包括无机颗粒、重金属、有机污染和微生物。最后，验证了Ct-Cel在实际水体中去除微塑料的高回收效率，证明了这种生物质最大化策略在实际环境中修复微塑料的巨大前景。
图1. 用于微塑料去除的可持续自组装超分子生物质纤维泡沫。（A）纤维素和β-甲壳素无交联制备自组装超分子生物质泡沫的途径。（B）由于活性官能团的丰富，生物质纤维泡沫通过多级相互作用（物理拦截、静电吸附和多重分子间相互作用）去除微塑料。
图2. 自组装超分子生物质泡沫的制备途径。（A）通过氢键制备甲壳素/棉纤维泡沫（Ct-Cel）的超分子自组装示意图。（B）30×50 cm的大尺寸生物质泡沫。（C）CT-Cel纤维泡沫的3D显微CT和（D）SEM图像。（E）原料和Ct-Cel泡沫的FTIR光谱。原料和Ct-Cel泡沫中（F）N 1s和（G）O 1s的XPS。（H）分子动力学MD模拟的自组装Ct-Cel混合物构型的稳定快照。（I）自组装前后Ct-Cel模型的Rg值和分子间氢键数。
生物质泡沫在有机溶剂中的良好回收能力可以进一步降低原料成本和废弃生物质的处理成本，从而增强其大规模处理微塑料污染的潜力。此外，回收过程可以防止微塑料在生物质泡沫的自然降解过程中重新进入环境。虽然可以同时收集其他污染物，但溶液系统中相对容易的净化增加了微塑料重复使用的可能性。Ct-Cel泡沫塑料在复杂水体中微塑料的提取中具有很大的应用潜力。因此，该研究的设计原则将促进未来基于生物质泡沫的实用和可持续战略的发展，以解决微塑料污染问题。
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