天然纤维素基多功能复合材料用于纳米塑料的电化学去除与检测

针对纳米塑料传统处理方法效率低、检测分离的问题，大连工业大学团队开发了CMC/PEI/Co/PANI复合电极材料，通过3D/2D结构设计和聚苯胺(PANI)导电层修饰，实现77.91%的纳米塑料电化学吸附率及0.63 ppb的高灵敏度检测，为环境污染治理提供新型集成化解决方案。

　　

随着全球塑料产量突破亿吨级规模，约10%的塑料废弃物最终会以碎片形式进入水体环境。这些微塑料在降解过程中进一步破碎成尺寸更小（<100 nm）、表面带电的纳米塑料，不仅难以通过常规水处理工艺去除，还易与有机物结合形成复合污染物。传统吸附技术存在效率低、无法实时监测等缺陷，而电化学吸附技术因其集成化处理-检测优势成为研究热点。然而，现有电极材料普遍面临导电性差、结构不稳定等瓶颈。

针对这一挑战，大连工业大学的研究团队创新性地开发了一种天然纤维素基多功能复合材料CMC/PEI/Co/PANI。该材料通过三维羧甲基纤维素/聚乙烯亚胺（CMC/PEI）网络与二维钴氢氧化物纳米片的复合构建，再经聚苯胺（PANI）导电层修饰，成功解决了纯CMC材料导电性差、水溶性高的核心问题。相关成果发表于《Journal of Water Process Engineering》，为纳米塑料污染治理提供了新材料和新思路。

研究团队采用三步法构建复合材料：首先通过CMC与PEI交联形成三维网络结构，随后嵌入二维钴氢氧化物纳米片增强吸附性能，最终通过电沉积包覆PANI导电层。采用循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）评估电化学性能，结合密度泛函理论（DFT）计算阐明吸附机制。

材料合成与表征
扫描电镜显示复合材料呈现多级孔道结构，比表面积达182.6 m²/g。X射线光电子能谱证实材料表面存在-Co-OH和-NH₂等活性基团，zeta电位测试显示其在pH=7时表面电势为+12.4 mV，有利于带负电纳米塑料的静电吸附。

电化学吸附性能
在1.0 V电压下处理10 mg/L聚苯乙烯纳米塑料3小时，去除率达77.91%，显著优于纯CMC材料（41.2%）。吸附动力学符合准二级模型，理论计算揭示其吸附机制包含静电作用、范德华力、氢键、π-π堆积和疏水相互作用的多重协同效应。

传感检测性能
DPV检测显示灵敏度达0.2866 μA/ppb·cm²，线性相关系数0.9917，检测限低至0.63 ppb。材料在10次吸附-脱附循环后仍保持83.7%的初始效率，机械强度损失<15%，展现出优异的稳定性。

该研究开创性地将天然纤维素材料与电化学技术结合，开发的CMC/PEI/Co/PANI复合材料兼具高效吸附与精准检测双重功能。其三维/二维异质结构设计为环境污染物治理提供了新范式，而实时监测特性可望推动智能水处理系统发展。研究成果不仅为纳米塑料污染控制提供直接解决方案，其材料设计策略还可拓展至其他新兴污染物的治理领域。