仿生牛肉网胃棘状结构氮掺杂碳微胶囊的宏孔集成制备及其对水杨酸的高效吸附

针对水环境中药物污染物水杨酸(SA)的去除难题，研究人员创新性地以皱褶二氧化硅介孔胶体晶体(WSMs CCTs)为模板，高氮含量三聚氰胺-甲醛树脂(MF)为前驱体，成功制备了具有仿生牛肉网胃棘状结构的集成氮掺杂碳微胶囊(INCM-BO-800)。该材料通过互连宏孔和氮活性位点的协同作用，实现了855.1 mg·g?1的超高SA吸附容量，且经5次再生后仍保持87%以上效率，为环境友好型吸附材料开发提供了新思路。

　　

随着制药工业和农业活动的快速发展，水杨酸(SA)作为药物中间体和杀菌剂已在水环境中广泛检出。这种具有神经毒性和生态风险的污染物，传统处理方法存在效率低、二次污染等问题。尤其纳米吸附剂虽具有高比表面积，但难以回收的特性严重制约其实际应用。如何开发兼具高效吸附性能和易回收特性的新型材料，成为环境治理领域的重要挑战。

河北某研究机构的研究团队从反刍动物消化系统获得灵感，创新性地设计出仿生牛肉网胃棘状结构的氮掺杂碳微胶囊(INCM-BO)。通过以皱褶二氧化硅介孔胶体晶体(WSMs CCTs)为模板，高氮含量三聚氰胺-甲醛树脂(MF)为前驱体，经精确控制热解温度(800°C)和模板蚀刻工艺，成功构建了具有分级孔道和表面棘状突起的整体式吸附材料。该研究发表在《Surfaces and Interfaces》期刊，为解决纳米吸附剂回收难题提供了新方案。

关键技术包括：1)双乳液法制备300 nm皱褶二氧化硅微球(WSMs)；2)离心组装形成胶体晶体模板(WSMs CCTs)；3)负压渗透MF树脂前驱体并原位聚合；4)控温热解实现氮掺杂碳化；5)选择性碱蚀刻获得最终结构。实验系统考察了碳化温度对三嗪环热解演变的影响，证实800°C处理的INCM-BO-800具有最优性能。

【材料制备与表征】
SEM分析显示INCM-BO-800完美复制了模板的径向孔道和表面褶皱，形成独特的"棘状"次级结构。氮吸附测试证实其具有1934 m²·g^?1的比表面积和0.98 cm³·g^?1的孔容积，XPS显示氮含量达8.7at%，主要为吡啶氮和石墨氮活性位点。

【吸附性能研究】
在318K条件下，INCM-BO-800对SA的吸附量达855.1 mg·g^?1，较无棘状结构的对照组(INCM-800)提升约40%。Liu等温模型拟合表明其存在多分子层吸附，Avrami动力学模型显示吸附过程受表面活性位点控制。pH实验证实静电作用和π-π共轭是主要吸附机制。

【再生与稳定性】
经过5次NaOH洗脱再生后，材料仍保持87%以上的吸附效率，SEM证实其宏观结构完整。整体块状特性使材料可通过简单过滤回收，解决了纳米粉体流失问题。

该研究通过仿生设计与精准制备，成功开发出兼具高吸附容量和易回收特性的新型碳材料。其创新性体现在：1)首创牛肉网胃棘状结构设计，通过表面突起增加活性位点暴露；2)宏-介孔分级体系促进传质效率；3)高氮掺杂增强表面极性。这种"结构-组成"双优化的策略为环境功能材料开发提供了重要参考，在制药废水处理领域具有广阔应用前景。