微塑料已经无处不在，南极、深海、地下水、甚至人类胎盘中均有发现，对整个生态圈都造成了巨大威胁。目前微塑料的去除手段主要依赖污水处理厂拦截，而污水处理厂仅对大于20 μm的微塑料有约72%的去除率，相对较小的微塑料或者说纳米塑料的去除仍没有实际应用策略。吸附法是一种相对简单高效的方法，但传统的吸附材料难以去除直径小于3微米的微塑料，低成本、高效率的小尺度微塑料吸附材料开发已成为重要挑战。生物质原料具有多级纤维结构、丰富的官能团和良好的生物相容性，且来源广泛、天然可降解、价格低廉，是官能团和多级结构的天然共存体，在构建高性能吸附材料方面极具潜力。
近期，武汉大学资源与环境科学学院邓红兵教授/陈朝吉教授团队提出了一种自上而下的甲壳素“氢键诱导重排”策略（图1），以具有两种不同原生氢键网络的α-甲壳素和β-甲壳素为原料，诱导其原生氢键网络断裂再彼此重建，两步快速构建了纯甲壳素纳米纤维海绵（β/α-CT）用于水中小尺寸微塑料的高效去除。该工作以“Highly Efficient, Recyclable Microplastic Adsorption Enabled by Chitin Hydrogen Bond Network Rearrangement”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，文章共同第一作者是武汉大学博士后吴洋和博士生叶成濠。该研究得到国家自然科学基金委、湖北省重点研发计划项目和中央高校基本科研业务费专项资金项目的支持。
图1 甲壳素纳米纤维海绵的制作路径及其典型的多孔纤维网络结构。
该海绵的制备过程中无需添加任何化学交联剂，且氢键重排诱导了甲壳素官能团（-OH、-CONH-、-NH3+）的活化和暴露，使得该材料可以大量吸附微塑料，最高吸附容量可达411 mg/g，与已报道的同类型材料相比，吸附容量最高可达58倍，且具有很好的成本优势（图2）。该工作成功实现了生物质官能团-结构双保留聚集体材料的稳定构建，有利于生物质原料的最大化利用。
图2 甲壳素纳米纤维海绵对水中小尺寸微塑料的去除能力。
为了探究甲壳素海绵的吸附机制，该工作对比了甲壳素与壳聚糖海绵（CS）的吸附能力。壳聚糖是甲壳素的脱乙酰产物，通常被认为比甲壳素更具活性，因为其带有更多的氨基，带电荷性也更强。然而，我们的实验结果表明，在同等条件下，甲壳素海绵对微塑料的吸附能力是壳聚糖海绵的几乎三倍。分子动力学和IGM模拟辅助分析发现甲壳素与聚苯乙烯的结合能要明显高于壳聚糖，而这种高的结合能主要来源于C-H-π/ O-H-π/C=O-π相互作用，表明甲壳素上的乙酰氨基发挥了非常重要的作用（图3）。该工作在开发具有新型吸附机理和优异吸附能力的生物质吸附材料方面取得了进展，可为水环境中高风险、强隐匿的小尺度微塑料去除提供思路。
图3 甲壳素纳米纤维海绵吸附微塑料的机理。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202311075
