综述：原位制备基于壳聚糖的杂化纳米复合材料的多种形式及其催化和光催化应用综述

这篇综述系统总结了壳聚糖（CS）基杂化纳米复合材料在1D（纤维）、2D（薄膜/涂层）和3D（水凝胶/微球）等多种形式下的设计策略，重点探讨了其通过原位还原法负载金属纳米颗粒（MNPs）的催化机制，以及在CO2氢化、硝基衍生物还原和Suzuki偶联等反应中的高效应用。文章强调了CS的氨基/羟基功能团对纳米颗粒尺寸控制、分散稳定性和循环利用性的关键作用，为开发绿色多相催化剂提供了重要参考。

　　

引言

壳聚糖（CS）作为自然界储量第二大的生物多糖，因其独特的氨基/羟基功能团和可调控的物理形态，成为构建杂化纳米催化剂的理想载体。近年来，通过原位还原法将金属纳米颗粒（MNPs）嵌入CS基质形成的复合材料，在环境修复和精细化工领域展现出卓越潜力。这种策略不仅能规避传统负载法中纳米颗粒的团聚问题，还可通过CS的螯合作用实现粒径精准调控。

杂化壳聚糖纳米复合材料的多元形式

一维（1D）纤维：高效传质与连续化应用

通过静电纺丝或挤出成型制备的CS纤维，其高比表面积和贯通孔隙结构为催化反应提供了理想平台。例如，Ali团队开发的CS/ZnPc纤维负载双金属Co-Cu纳米颗粒，仅需4-10分钟即可完全降解刚果红（CR）和4-硝基苯酚（4NP），归因于纤维表面密集分布的活性位点。更巧妙的是，Hrbá?ek设计的Pd/CS纤维在流动反应器中实现了1.3秒超短接触时间下90%的4NP转化率，展现了工业化应用的可行性。

二维（2D）薄膜与涂层：界面工程的突破

CS薄膜通过溶剂浇铸法可形成致密或可控多孔结构。Bonardd团队发现，具有400 nm孔径的多孔Au/CS薄膜的催化速率（k_obs≈3.2×10^?4 s^?1）是非多孔膜的7.5倍，这源于孔隙对反应物扩散的促进作用。而在涂层领域，Kamal将CS修饰的滤纸（CS-FP）作为Ni纳米颗粒载体，其独特的微纤维网络使硝基苯酚转化率稳定在90%以上，且可通过简单物理吸附实现催化剂回收。

三维（3D）结构：限域效应与协同增强

水凝胶和微球因其三维网络结构，能通过物理限域作用抑制纳米颗粒迁移。Ramírez开发的CuAu/CS水凝胶微球在光照下TOF达27.68 h^-1，得益于双金属的等离子体共振效应。更有趣的是，El Kadiri对比发现Bi/CS粉末催化剂在硝基芳烃选择性还原中，通过调节NaBH₄用量可定向获得苯胺（30当量还原剂）或偶氮苯（1当量），展现了精准控制反应路径的能力。

催化机制与性能优化关键

CS的氨基和羟基不仅作为金属离子配位点，还能通过原位还原生成MNPs。Pestov等证实CS主链糖苷键断裂产生的醛基是Ag⁺还原为纳米银的关键。在反应过程中，CS基质通过静电作用富集底物（如带负电的4NP），同时其多孔结构促进反应物与MNPs的有效碰撞。Peng团队设计的Ag/Ag₂O-纤维素/CS薄膜通过形成Z型异质结，使空穴（h⁺）和超氧自由基（O₂^2-）协同降解92%甲基橙（MO），展示了CS在光催化中的独特优势。

挑战与未来方向

尽管CS基催化剂在实验室规模表现优异，但纳米颗粒长期循环后的浸出问题（如Cu/CS在4次循环后k_app下降36%）仍需解决。未来研究应聚焦于：①开发机械强度更高的CS共混载体；②利用机器学习预测最优金属-载体组合；③探索CS与MOFs等新型材料的复合策略。Zhao团队将Pd纳米颗粒与CS/蒙脱石复合，创下18次循环无活性衰减的记录，为工业化应用提供了重要参考。

结论

壳聚糖基杂化材料通过可调控的维度设计和绿色合成路径，实现了从废水处理到药物合成的多场景催化应用。其核心优势在于将生物载体的环境友好性与纳米催化剂的高效性完美结合，为发展新一代可持续催化体系开辟了道路。未来通过跨学科协同创新，这类材料有望在碳中和与绿色制造领域发挥更大作用。