蒸发材料0202丨河南师范大学SPT 综述论文：聚吡咯纳米材料在水污染控制中的应用研究最新进展

蒸发材料

国际期刊《 Separation and Purification Technology 》期刊在线发表了题为“Recent advances in application of polypyrrole nanomaterial in water pollution control”的研究性论文，讲述了 聚吡咯纳米材料在水污染控制中的应用研究最新进展 。《Separation and Purification Technology》是分离纯化、化工、环境工程领域的优质期刊，研究聚焦 “分离材料、废水处理、海水淡化、膜技术” 等方向。

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面对复杂严峻的水污染形势，各类水处理技术迅速发展，环境功能材料作为技术发展的物质基础备受关注。聚吡咯是一种黑色导电聚合物，可通过吡咯单体的氧化聚合轻松制备，具有无毒、低密度、高纯度、吸光性、导电性、抗菌性、耐腐蚀性和可改性等特性，因此被广泛应用于水处理技术中。本研究总结了过去十年聚吡咯在分离纯化、氧化还原、抗菌消毒等水污染控制技术中的研究成果，具体介绍了聚吡咯的合成方法、改性策略及应用场景，分析了其在相应水处理技术中的直接和间接作用机制，建立了聚吡咯结构性能与应用技术之间的关联；同时，对聚吡咯当前的研究进展进行了批判性总结，并展望了其未来潜在的研发方向。

该论文聚焦聚吡咯（PPy）纳米材料在水污染控制领域的应用研究，背景为工业化加剧导致水污染日趋复杂严峻，污染物涵盖无机、有机及微生物三类，而导电聚合物因兼具碳材料、半导体材料和有机聚合物的特性成为研究热点，其中聚吡咯以无毒、低成本、易制备及优异的吸光性、导电性、生物相容性等优势，成为理想的环境功能材料，近年来相关年发表量稳定在 1500 篇左右，约 300 篇聚焦水领域，但现有综述多局限于单一材料、污染物或技术，缺乏对材料改性与技术交叉关联的全面考量，因此论文旨在填补这一空白。论文详细介绍了聚吡咯的合成方法（化学氧化聚合与光电氧化聚合）及改性策略（阴离子掺杂、共聚掺杂、表面改性），系统梳理了其在水污染控制三大核心技术中的应用：分离纯化技术方面，可通过吸附作用去除有机污染物和无机离子（如 Cr (VI)、F⁻等），通过膜技术改善超滤 / 纳滤膜的抗污染性与分离效率、提升阳离子交换膜的选择性，还能作为光热材料用于污水净化和海水淡化，实现高效蒸发；氧化还原技术中，聚吡咯可通过光氧化、电氧化、化学氧化降解有机污染物，通过 photoreduction、电还原、催化氢化实现污染物的还原去除（如 Cr (VI) 还原、硝酸盐选择性还原）；抗菌消毒技术方面，依托聚阳离子骨架与细菌细胞壁的静电作用破坏微生物细胞膜，还可结合其他抗菌材料或通过电穿孔技术实现高效消毒，且具有绿色节能、无二次污染的优势；此外，聚吡咯还可作为前驱体通过煅烧制备氮掺杂碳材料，用于海水淡化、光催化降解等其他场景。论文同时指出当前研究存在聚吡咯氧化态与还原态分子结构不明确、聚合度对其性能影响未受足够关注、复合材材料中结构设计与制备参数对性能的影响研究不足等挑战，未来应聚焦带负电污染物吸附、膜分离、光热、光氧化、电还原及抗菌技术等方向，建立制备参数 - 结构 - 理化性质的关联，开发高有序聚吡咯纳米材料及新型接枝改性策略，探索技术联合应用以充分发挥其多功能优势。

• 系统整合了过去十年聚吡咯在分离纯化、氧化还原、抗菌消毒三大水污染控制核心领域的研究成果
• 深度挖掘聚吡咯无毒、导电、吸光、可改性等理化特性
• 聚焦带负电污染物吸附、膜分离、光热等关键方向

图 1. 聚吡咯基材料的特性及其在水污染控制中的应用。

图 2. Web of Science 数据库中关键词 “聚吡咯” 及 “聚吡咯 + 水” 的年度发文量。

图 3. 聚吡咯的合成与改性策略：(a)聚吡咯的合成过程及光学特性；(b)不同类型聚吡咯的微观结构；(c)分子结构改性策略

图 4. 聚吡咯材料的吸附改性及其应用范围：(a) 不同聚吡咯有机染料吸附基质的吸附与脱附过程机制图；(b) 聚吡咯在不同 pH 值下对有机染料的吸附能力调节；(c) 聚吡咯改性材料在不同电势下的吸附与脱附图像；(d) 聚吡咯 / CMCS 复合材料对四环素的吸附调节；(e) 聚吡咯改性材料通过电荷密度变化实现的电吸附。

图 5. 聚吡咯及聚吡咯基材料对 Cr (VI) 的吸附与还原特性：(a) 聚吡咯负载前后 Cr (VI) 的形态变化；(b) Cr (VI) 在聚吡咯上的吸附 - 还原过程；(c) pH 对吸附率的影响；(d) 聚吡咯的 Zeta 电位与吸附率的关系；(e) 电容去离子的示意图；(f) 聚吡咯基材料的吸附容量测定；(g) 聚吡咯对重金属的吸附（上）、聚吡咯 - 壳聚糖复合材料对水中重金属的协同去除（下）。

图 6. (a) 氧化态与还原态聚吡咯 - 十二烷基苯磺酸 / 聚偏氟乙烯膜的扫描电镜图像；(b) 外加电压下聚吡咯 - 十二烷基苯磺酸 / 聚偏氟乙烯膜的水渗透示意图；(c) 聚吡咯耦合纳滤膜的制备方法；(d) 高级氧化与膜过滤耦合技术

图 7. 基于聚吡咯的阳离子交换技术（左）与膜材料设计理念（右）

图 8. (a) 水蒸发器的工程设计阐述；(b) 光热蒸发器基底存在的问题及部分问题的解决方案

图 9. (a) 聚吡咯 /g-C₃N₄光催化剂的光响应强度；(b) 聚吡咯的降解实验；(c) 聚吡咯耦合光催化剂的降解机制；(d) 聚吡咯参与的 POA 光催化降解机理；(e) 聚吡咯的循环性能；(f) 聚吡咯的光电催化还原机理

图 10. 化学氧化技术下聚吡咯在水中有机污染物降解中的应用

图 11. (a) 不同催化剂降解效率的对比图；(b) Ag₃MoO₄/ 聚吡咯光催化剂在 Cr (VI) 还原过程中的循环使用效率

图 12. (a) 聚吡咯在电还原水处理中的应用；(b) 泡沫镍电极上沉积的聚吡咯的形貌；(c) 在 Ru / 聚吡咯 / 泡沫镍电极与 Ru / 泡沫镍电极上，五氯苯酚（PCP）的电解降解效率随循环次数的变化

图 13. 催化氢化技术及聚吡咯参与的相关机制。

聚吡咯（PPy）凭借其全面的理化性质（如形态可塑性、模板包覆能力、离子交换能力、吸光性、电子传输能力、抗菌性等），在水污染控制领域发挥着关键作用。基于现有研究，聚吡咯的应用与其理化性质的关联如图 15 所示。从分子结构来看，仲胺基和共轭 π 键是其广泛应用的核心基础。此外，通过耦合、改性和煅烧等方法可制备特定的聚吡咯基纳米材料，这有助于拓展聚吡咯的应用范围并提升其相关性能。然而，该领域仍存在一些待解决的挑战：

（1）聚吡咯氧化态与还原态的分子结构尚不明确。本研究基于氧化还原反应原理，给出了聚吡咯在这两种化学状态下可能的分子结构（见 3.1.1 节）。但为满足未来更精细化的材料开发需求，需对聚吡咯不同化学状态下的分子构型及理化性质开展充分研究。

（2）现有研究忽视了聚吡咯聚合度对其光吸收和导电性的影响。不同聚合度下的光吸收与导电特性、是否存在基团效应以及聚合度的精细调控能力等问题，均值得深入探讨。这对于涉及光子和电子转移的水污染控制技术具有重要意义。

（3）针对聚吡咯基复合材料，现有研究过度关注耦合促进效应，而对聚吡咯的结构设计、制备参数对复合材料性能的影响报道较少。同时，高有序聚吡咯纳米材料的研究尚不充分，限制了其在更多领域的应用潜力。

此外，聚吡咯的应用研究领域应适当聚焦，以实现关键突破。未来，聚吡咯的研究方向应集中于带负电污染物吸附、膜分离技术、光热技术、光氧化技术、电还原技术及抗菌技术。具体研究工作包括：1）全面建立制备参数 - 结构 - 理化性质之间的关联；2）制备高有序聚吡咯纳米材料并探究其应用潜力；3）开发更多聚吡咯接枝改性策略，以获得高性能聚吡咯基功能材料；4）积极探索技术联合应用的可能性，充分发挥聚吡咯的多功能优势。

Wang, W., Lv, Y., Liu, H., & Cao, Z. (2024). Recent advances in application of polypyrrole nanomaterial in water pollution control. Separation and Purification Technology, 330, 125265. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125265.

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资料整理：周雷豪（阳光净水）

编辑：环境与能源功能材料

周雷豪（阳光净水课题组）

【资料整理】周雷豪，资源与环境专业硕士研究生。

详细内容看课题组主页：

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

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壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料

2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。

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2024年06月08日，国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”综述论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述壳聚糖基异相催化剂在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本综述概述了金属氧化物/壳聚糖基复合材料（MOs@CSbMs）、金属硫化物/壳聚糖基复合材料（MSs@CSbMs）、铋基半导体/壳聚糖基复合材料（BibSCs@CSbMs）、金属有机框架/壳聚糖基复合材料（MOFs@CSbMs）和纳米零价金属/壳聚糖基复合材料（NZVMs@CSbMs）等5种Cat@CSbMs材料的制备策略及作为助催化剂、光催化剂、类芬顿试剂在处理各类废水中的应用进展。该综述不仅加深了对环境功能材料与环境污染控制作用的理解，也为未来Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和还原金属离子等相关领域的研究提供了参考和启示。该论文自2024年6月发表以来，现已被引用43次（Web of Science），2025年5月起入选ESI高被引论文。

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2024年 12 月 24 日，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了 阳光净水课题组 题为 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 综述论文。本综述全面总结了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高废水处理和水净化的有效改性策略，并重点阐述了MoS2bMats在环境污染物吸附、光催化降解和还原、Fenton高级氧化、PMS/PS活化氧化、废水脱盐（膜过滤和太阳能蒸发脱盐）等方面的应用。最后，讨论并提出了 MoS 2 bMats 理论研究与应用之间存在差距、工程挑战、未来的研究方向和机遇。 该论文自 2024 年 12 月线上发表以来，现已被引用23 次（ Web of Science ）。

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2025年 06 月 ，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》发表了阳光净水课题组题为 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 综述论文。本文全面综述了用于废水中磷回收和去除的壳聚糖基吸附材料（CSMats）的性质、改性方法、影响因素。同时，总结了CSMats吸附去除水体磷的主要作用机理（氢键、静电作用、路易斯酸碱相互作用、配体/离子交换和表面沉淀作用）。此外，还归纳了CSMats的再生方法、连续流处理和在实际废水中应用。 最后，讨论了 CSMats除磷材料面临的挑战和未来发展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，2025年6月最新影响因子/中科院分区： 8. 50/ TOP 期刊。该论文自 2024 年1 月线上发表以来，现已被引用8 次（Web of Science ），国际引用占比75%。

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2024 年 1 月，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊发表了阳光净水课题组题为 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的综述性论文。更清洁、更安全的环境是未来最重要的要求之一。与传统材料相比，壳聚糖具有丰富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和亲水性，是一种更环保的功能材料。由于壳聚糖分子链上丰富的 -NH2 和 -OH 基团可以有效地与各种金属离子螯合，壳聚糖基材料作为金属氧化物纳米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撑基质具有巨大的潜力。近年来，许多壳聚糖 / 金属氧化物纳米材料（ CS/MONM ）作为吸附剂、光催化剂、非均相类芬顿试剂和传感器，在环境修复和监测中具有潜在和实际的应用。本综述全面分析和总结了CS/MONMs复合材料的最新进展，这将为CS/MONMs复合材料的制备和废水处理应用提供丰富而有意义的信息，并有助于研究人员更好地了解CS/MONMs复合材料在环境修复与监测中的潜力。该论文自 2024 年 1 月线上发表以来，现已被引用59 次（ Web of Science ），国际引用占比55.0%。

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2024 年 2 月，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了阳光净水课题组题为 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的综述性论文。污染物检测和水净化对于实现环境保护和资源利用非常重要。构建新型功能材料去除各种污染物也变得越来越重要和紧迫。本综述总结了磁性壳聚糖（M-CSbMs）的3种可靠制备策略（原位策略、两步策略和沉积后策略），并详细介绍了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金属离子、有机染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低浓度污染物等方面的研究进展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面临的挑战和前景，以期促进其在水净化和固相萃取污染物方面的实际应用。该论文自 2024 年 2 月发表以来，现已被引用 43 次（ Web of Science ）。

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