综述：纤维素复合膜在先进功能材料中的研究进展：策略、性能与应用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Research progress of cellulose composite membranes in advanced functional materials: Strategy, performance, and application

可持续纤维素膜功能化进展与应用前景，涵盖溶剂 casting、电纺等合成技术，纳米颗粒集成、共聚等改性策略，结构-性能关系及在废水处理（Cs?选择性吸附50.016 mg/g）、离子传输（质子电导率提升）、电磁屏蔽（48.5 dB）等领域的应用。未来需强化多功能协同设计，推动绿色低碳技术发展。

　　

张宇琪|沈玉琳|刘瑞静|张婉琪|罗志英|王向凯|陈张静|于建芳|王晓明

内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，呼和浩特010018，中国

摘要

在可持续生物材料领域，纤维素膜作为先进材料系统的关键候选材料，在生物医学工程、环境修复、能量存储和智能设备中得到了广泛应用。本文系统回顾了纤维素膜研究的最新进展，重点关注功能性纤维素膜。文章涵盖了合成技术（包括溶剂浇铸、静电纺丝、真空过滤和3D打印）、多功能化策略（如纳米粒子集成、聚合物共聚和表面修饰）以及结构-性能关系。总结了从纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶体、细菌纤维素及其衍生物制备功能性纤维素膜的相关研究，包括膜制备技术以及功能性纤维素膜的调控和应用。未来的研究应优先考虑多功能协同设计，例如将碳点的光学性质和MXene的导电性整合到响应性膜中。通过弥合基础研究与实际应用之间的差距，本文旨在加速高性能纤维素膜的合理设计，并促进其在可持续技术中的应用。

引言

传统的膜材料通常由不可生物降解的石化产品制成，对生态环境造成沉重负担并对人类健康产生不利影响。相比之下，生物聚合物膜具有可生物降解性、生物相容性、无毒性、透明性和机械强度等显著特性[1]，因此成为替代传统聚合物材料的研究重点。在生物质材料中，纤维素因其丰富的天然储备和独特的性质而备受青睐，被广泛用于膜制备。例如，纳米纤维素膜已应用于生物医学工程[2]、二氧化碳封存[3]、油水分离[4]和荧光材料[5]，展示了其在推动可持续发展和环境保护方面的多功能性和潜力。值得注意的是，基于纤维素的膜本质上是可生物降解的，符合生命周期环境兼容性的原则。使用后，它们可以通过微生物完全分解为无害物质（如二氧化碳和水），甚至可以通过酶水解实现闭环生物回收——例如，基于纤维素的介电膜可以降解以回收葡萄糖和功能性成分用于膜制备，形成“资源-产品-回收资源”的循环。这构建了一个绿色的“资源-生产-应用-回收”循环，指导基于纤维素的复合膜在水处理和能量存储中的低碳应用，并促进膜行业的绿色低碳转型[6]。将基于纤维素的膜与绿色膜材料和工艺的12项原则相结合，不仅促进了膜行业的绿色转型，还为全球环境治理和实现碳中和目标提供了可靠的技术支持。

随着纳米技术的不断进步，研究人员广泛探索了纤维素纳米材料[7]，主要包括纤维素纳米晶体（CNCs）[8]、纤维素纳米纤维（CNFs）[9]和细菌纤维素（BC）[10]。纤维素分子链富含活性基团，为表面修饰提供了丰富的位点。通过化学修饰，纤维素链上的羟基可以被乙酰基[11]、甲基[12]和羧甲基[13]等功能基团有效取代，从而获得一系列具有定制物理化学性质的纤维素衍生物。由纤维素及其衍生物制成的膜通常具有疏松的互穿多孔结构、超细纤维形态和丰富的活性位点。因此，开发具有抗菌活性、阻燃性、颜色响应性、离子传输和电磁/紫外线屏蔽等特性的多功能纤维素膜是目前的研究重点[14],[15],[16],[17],[18]。主要应用如下：在废水处理中，多巴胺改性的/离子印迹的BC复合膜显示出高Cs(I)选择性，最大吸附容量为50.016 mg/g，能够快速选择性地从低浓度核废水中去除Cs(I)[14]；在离子传输中，CNF/CNC复合基质与原位生长的S-UIO-66@CNT结合，制备出具有优异机械性能和高质子传导性的质子交换膜[16]；在碳分子筛膜中，基于纤维素的膜在H₂/CH₄、H₂/CO₂和工业过程中的氢气回收方面表现出优异的分离性能[19]；在电磁屏蔽方面，MXene/CNF纸在X波段显示出48.5 dB的屏蔽效率，并对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有抗菌活性[17]；在摩擦纳米发电机中，光刻合成的CNF薄膜器件实现了49.6 ± 0.02 V的峰峰值电压、5.54 ± 0.11 μA的短路电流和87 μW（387 mW/m²的输出功率[10]；在多响应软机器人中，亲水性CNF/MXene/CNT复合膜作为顶层对湿度、自然光和电热刺激具有高灵敏度和快速响应性，能够实现360°运动，驱动力来自67 mW/cm²的自然光或2.8 V的电力[20]。这些膜的开发和应用不仅解决了传统石化基膜带来的环境问题，还符合绿色和低碳发展的需求，为产业转型和全球环境治理提供了有力支持。

因此，本文总结了基于纤维素及其衍生物的复合膜的制备、复合材料设计及其功能化利用。首先讨论了复合纤维素膜的原材料，包括纤维素纳米纤维（CNFs）、纤维素纳米晶体（CNCs）、细菌纤维素（BC）和纤维素衍生物。然后系统回顾了复合纤维素膜的制备方法和设计策略，涵盖了抗菌纤维素膜、阻燃纤维素膜、响应性纤维素膜、离子导电纤维素膜和屏障型纤维素膜。最后，总结了复合纤维素膜的当前进展及其结构设计和功能调制，旨在为其设计研究和工业应用提供见解。图1展示了复合纤维素膜在各个领域的广泛应用，包括抗菌[21],[22],[23]、阻燃[24],[25],[26]、智能响应[27],[28],[29]、离子传输[30],[31]和电磁屏蔽[33],[34],[35]等。我们希望这篇综述能够加深对纤维素膜的理解，并激发进一步研究，探索和设计更多多功能纤维素膜，以推进其实际应用。

章节摘录

纤维素膜的原材料

从资源可持续性的角度来看，来自可再生生物质资源的纤维素作为这些功能膜的基质，从根本上克服了不可再生和不可降解合成聚合物基底的缺点。目前，纤维素的来源包括木材和竹子等森林资源[36]以及作物秸秆和空果串等农业资源[37]。这些废弃物不仅来源丰富，还为

功能性纤维素复合膜

通过纳米材料复合、化学交联和功能化等策略的最新进展，这些膜具备了隔热、抗菌活性、柔韧性和光响应性等特殊性能。例如，使用滤纸作为基底开发了纤维素纸基空气过滤器，纳米阵列抗菌剂赋予了过滤器稳定的光热性能和良好的抗菌活性

结论与展望

纤维素膜具有固有的可生物降解性、无毒性、机械强度和良好的多孔结构，是可持续膜技术的基石。利用纤维素骨架上的活性羟基，合理选择有机连接剂和后合成修饰，赋予这些膜多种功能，包括优异的化学/热稳定性、可调的孔径大小、优越的离子传导性、定制的亲水性和独特性

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罗志英：撰写 – 审稿与编辑。王向凯：撰写 – 审稿与编辑、研究。刘瑞静：撰写 – 原稿撰写、概念构思。张婉琪：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学。张宇琪：撰写 – 审稿与编辑、原稿撰写、数据分析。沈玉琳：撰写 – 审稿与编辑、研究、概念构思。于建芳：撰写 – 原稿撰写、资金获取、概念构思。王晓明：撰写 – 审稿与

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致谢

我们感谢内蒙古自然科学基金（项目编号2025LHMS03014）、国家自然科学基金（项目编号32101455）、内蒙古自治区教育厅的一级学科研究专项（项目编号YLXKZX-NND-012, YLXKZX-NND-059）以及内蒙古农业大学的的基础研究经费（项目编号BR22-12-01）的财政支持。