环境材料0602丨天津科技大学RM综述论文丨用于环境修复的可持续纳米纤维素基材料：结构-功能关系与应用

2026年5月，国际期刊《Rare Metals》在线发表了天津科技大学司传领团队题为“Sustainable Nanocellulose-Based Materials for Environmental Remediation: Structure–Function Relationships and Applications”的综述论文。本综述系统总结了纳米纤维素的结构特征和表面化学性质，并批判性地评估了其在关键修复领域（包括水净化、空气过滤和土壤去污）中的性能。论文重点讨论了去除PM、胶体、溶解性有机和无机污染物、微生物及气态污染物的潜在机理，并特别强调结构-性质-性能之间的相互关系。

论文链接：https://doi.org/10.1002/rar2.70335

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水、空气和土壤系统中的环境污染由重金属、持久性有机污染物、颗粒物（PM）、生物气溶胶和有毒气体驱动，对人类健康和生态系统稳定性构成日益严重的威胁。传统的修复技术通常存在选择性有限、效率不足以及二次污染风险等问题。在此背景下，纳米纤维素基材料，包括纤维素纳米纤丝（CNFs）、纤维素纳米晶体（CNCs）和细菌纤维素（BC），已成为用于环境修复的可持续且多功能的平台。得益于其纳米尺度结构、高比表面积、可调孔隙率以及丰富的表面官能团，这些材料能够实现多种污染物去除路径，如物理拦截、静电吸附、化学络合、催化降解和抗菌灭活。本综述系统总结了纳米纤维素的结构特征和表面化学性质，并批判性地评估了其在关键修复领域（包括水净化、空气过滤和土壤去污）中的性能。论文重点讨论了去除PM、胶体、溶解性有机和无机污染物、微生物及气态污染物的潜在机理，并特别强调结构-性质-性能之间的相互关系。最后，论文指出了在可扩展性、长期运行稳定性、复杂环境条件下的选择性修复以及系统级集成等方面的主要挑战，并展望了面向可持续、多功能且可实际部署的纳米纤维素基修复技术的未来发展方向。

快速的工业化、城市化和集约化农业实践导致了影响水、空气和土壤系统的普遍环境污染。水生环境日益受到重金属、染料、有机溶剂和微生物病原体的污染，对饮用水安全和水生生态系统构成严重风险。与此同时，由颗粒物（PM）、生物气溶胶和挥发性有机化合物（VOCs）驱动的空气质量恶化已成为一个主要的公共卫生问题，导致呼吸系统和心血管疾病[。由重金属、农药和持久性有机污染物引起的土壤污染不仅降低了土壤肥力，还促进了污染物向食物链的迁移。传统的修复策略，包括化学沉淀、活性炭吸附、膜过滤和土壤淋洗，常常存在固有的局限性，如选择性低、能耗高、二次污染和可回收性差。随着环境污染变得日益复杂和异质化，迫切需要能够以集成方式跨多个环境介质处理污染物的创新、多功能且可持续的材料平台。

在新兴材料平台中，纳米纤维素基材料，包括纤维素纳米纤丝（CNFs）、纤维素纳米晶体（CNCs）和细菌纤维素（BC），因其结构多样性、可调表面化学性质和可持续性优势的独特组合而引起了广泛关注。其纳米尺度纤丝结构提供了高比表面积和可控孔隙率，能够有效吸附和过滤从金属离子、有机分子到微生物和细小颗粒物的广泛污染物。丰富的表面羟基以及易于化学修饰的特性，使得可以精确调控表面化学以实现选择性污染物捕获或催化降解。在结构上，CNFs由柔韧且缠结的纤丝组成，易于形成机械稳健的薄层或膜；而CNCs则由刚性棒状结晶域构成，有利于构建有序的多孔结构。值得注意的是，BC具有超细且高度互联的纤丝网络，能够制备具有高污染物负载能力的气凝胶和复合支架。除吸附外，纳米纤维素框架还可以作为抗菌剂的多功能载体，或设计成杂化复合材料，从而增强多污染物修复能力并提高材料可回收性。此外，其生物可降解性、低毒性和可再生来源与可持续发展目标高度契合，使纳米纤维素基材料成为传统合成聚合物和非可再生吸附剂的有吸引力的替代品。

图1 | 纤维素的基本结构与常见污染物。(A) 纤维素的多层级结构；(B) 纳米纤维素的结构式与形貌；(C) 常见污染物的类型。

纳米纤维素基材料因其高比表面积、丰富的表面官能团以及固有的生物相容性，在水处理领域受到越来越多的关注。纤维素的纳米尺度纤丝形态提供了大量的羟基和化学修饰基团，可作为吸附、离子交换以及与多种污染物催化相互作用的活性位点。此外，将纳米纤维素制备成水凝胶、膜、气凝胶和复合材料的能力，使其具有可调的孔隙率和机械稳定性，从而促进动态流动条件下的高效水传输和有效的污染物去除。这些特性使得纳米纤维素特别适用于处理多种水污染物，包括PM、胶体悬浮物、溶解性有机和无机化合物、微生物以及溶解性气体。例如，表面修饰的CNFs和CNCs对重金属和染料具有较高的吸附容量，而BC网络因其致密的三维纤丝基质，对微生物污染物具有优异的截留能力。污染物的去除通过多种协同机制实现：物理截留、静电吸附、尺寸排阻和催化降解。此外，结合金属纳米颗粒、金属氧化物或聚合物的杂化纳米纤维素复合材料可以产生协同功能，如光催化降解、抗菌活性或对特定污染物的增强选择性。这些多样的机制，加上纳米纤维素可调的特性，使其成为水处理的多功能平台。对于离子污染物和染料，吸附占主导地位；而对于PM的去除，则主要依靠尺寸排阻和物理截留。对于有机化合物，表面功能化和催化活性可实现有效的降解和去除。总体而言，纳米纤维素的多功能性和可调功能为开发可持续的高性能水处理材料提供了一个稳健的平台。以下小节将系统讨论纳米纤维素在去除不同类别水污染物中的应用，重点阐述机理见解和代表性案例研究。

图2 | 纳米纤维素在水处理中的应用。(A) 不同物理状态下BC对PM的去除效果，显示出对微米级颗粒的高效去除。(B) 使用纳米纤维素基过滤分离胶体物质，展示了有效的油水分离效果。(C) GO-CNF膜吸附处理前后的对比图像及渗透性测试结果。扫描电子显微镜图像显示了GO-CNF1的“垂直嵌入GO薄片”结构以及GO-CNF4的致密GO层状结构。(D) 通过物理截留和界面相互作用，使用交联纳米纤维素纳米纤维网络去除饮用水中的病毒。(E) PEI与酸性物质及CO₂的相互作用机理，不同PEI含量（2 wt%–6 wt%）下含CNFs75的膜在25°C时的CO₂捕获性能，以及CA-CNFs75膜的吸附-解吸循环稳定性。

空气中的污染物，包括PM、生物气溶胶和气态污染物，对人类健康和环境质量构成重大风险。纳米纤维素材料结合了高比表面积、可调孔隙率和表面功能化，能够通过过滤、吸附以及催化或抗菌活性实现有效的空气净化。与传统纤维过滤器不同，纳米纤维素网络提供了纳米尺度的缠结结构，可在保持足够气流的同时捕获细颗粒物和微生物。表面改性策略，如阳离子化、胺化或引入金属或金属氧化物纳米颗粒，可进一步增强对目标污染物的选择性捕获和灭活。纤维素纳米材料的多功能性源于其可调的网络密度、孔径分布和表面化学性质，这些特性可以针对特定的空气污染物进行优化。CNFs具有柔性的纤丝薄层，可用于制造高孔隙率且机械稳健的过滤器。CNCs具有刚性棒状结构，有助于构建有序的多孔结构，以平衡过滤效率与气流阻力。BC由超细且高度互联的纤丝组成，可形成具有高PM和生物活性功能剂负载能力的气凝胶和膜。杂化策略，如结合活性炭、银纳米颗粒或光催化剂的CNF/CNC复合材料或CNF/BC膜，可进一步增强污染物捕获、抗菌活性和再生潜力。

基于纳米纤维素的空气净化可根据污染物类型进行分类。颗粒污染物，包括PM10和PM2.5、烟尘和粉尘，可通过物理截留和静电相互作用被有效去除[129]。生物气溶胶，如细菌、真菌和病毒，通过网络过滤被捕获，并通过抗菌功能化或光催化效应被灭活。气态污染物，包括VOCs、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx），被吸附到功能化表面或含有催化或吸附剂的复合结构中。在所有类别中，纤维素纳米材料均提供高去除效率、结构稳健性以及多次再生循环的潜力。纳米纤维素基材料在不同类型空气污染物中的应用，重点阐述机理见解、材料设计策略以及具体的实验性能指标。此讨论强调了纤维素纳米材料在空气净化系统中的实际相关性和适应性。

图3 | 纳米纤维素用于空气污染控制。(A) 无纺织物过滤器制备的实验装置示意图及BF基过滤器对PM0.3的过滤性能。(B) GCT/Ag制备示意图，展示了不同组成GCT空气过滤器的空气净化性能、过滤效率和压降。(C) MOF-TOCN薄膜@纸的示意图及相应的气体渗透性和CO₂/CH₄选择性。

纳米纤维素材料在环境修复中的应用不仅限于空气和水体，其在受污染土壤的修复方面也具有重要潜力。重金属、有机污染物和微生物病原体对土壤的污染构成了持久的环境挑战，影响农业生产、地下水质量和生态系统健康。纤维素纳米材料利用其纳米尺度网络、高比表面积和丰富的官能团，通过结构改良、污染物固定化和助提提取等方式，为土壤修复提供了多功能平台。其可调的孔隙率和表面化学性质使其能够与污染物发生物理和化学相互作用，而其生物可降解性和低毒性则支持可持续的修复策略。

图4 | 纳米纤维素用于土壤污染修复。(A) 微纳米纤维的提取及性质，以及微纳米纤维改性沙土的改良效果和水文特性。(B) CNCs溶液处理重金属污染土壤的示意图，以及不同CNCs浓度淋洗前后土壤中Cd的形态分布。(C) CNCs纳米流体解吸PHE的机理及不同PHE浓度下绿藻的毒性响应。

尽管在利用纤维素纳米材料进行环境修复方面取得了显著进展，但在实现其大规模应用之前，仍面临若干科学和实际挑战。图5总结了纳米纤维素基系统面临的关键挑战和未来展望，包括可扩展性与成本、结构稳定性与可重复使用性、选择性和多功能污染物去除，以及面向可持续循环应用的系统级集成。

图5 | 纳米纤维素用于环境污染处理面临的挑战与展望

纤维素纳米材料是一类用于可持续环境修复的多功能且具有前景的材料。然而，要充分实现其潜力，需要解决与可扩展性、稳定性、选择性和系统集成相关的挑战。通过材料工程、功能化和系统级优化的针对性进展，基于纳米纤维素的技术有望在下一代水、空气和土壤处理中发挥变革性作用，实现高效率与环境可持续性的结合。展望未来，可以识别出几个有前景的发展方向：首先，开发仿生和多层级纳米纤维素结构有望结合机械强度与可调孔隙率，实现选择性和高效修复。其次，与催化纳米颗粒、MOFs或可生物降解聚合物的协同杂化可能实现多种污染物的同时去除、降解和灭活。第三，能够在外界环境刺激下调整其吸附行为或催化活性的响应性纳米纤维素系统，为智能和节能修复提供了机会。最后，性能指标、测试方案和规模化策略的标准化，对于将实验室创新转化为可靠的实际环境应用至关重要。未来的研究应更加强调实际适用性，而不是在理想化实验室条件下的持续优化。CNFs最适合作为可扩展的结构平台，CNCs更适合用作功能添加剂以增强选择性，而BC则最好保留用于需要高纯度和生物相容性的应用。随着材料工程、实际条件下性能评估以及系统级实施的持续进展，基于纳米纤维素的材料预计将在下一代环境修复技术中发挥越来越重要的作用。

Junjie Qi, Kun Liu, Tairan Pang, et al. 2026. Sustainable Nanocellulose-Based Materials for Environmental Remediation: Structure–Function Relationships and Applications. Rare Metals: e70335 . https://doi.org/10.1002/rar2.70335

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