用于环境修复的可持续纳米杂化材料：绿色合成、机理设计、人工智能驱动优化及循环经济视角

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Sustainable nanohybrids for environmental remediation: Green synthesis, mechanistic design, AI-driven optimization, and circular economy perspectives

　　

• 将结构–性能–效能、AI/ML预测设计与循环经济相结合，应用于绿色纳米杂化材料。
• 跨越10个维度对数十种材料进行对比矩阵分析，实现基于证据的材料筛选。
• Fe–Cu氧化物纳米球实现孔雀石绿吸附容量高达1399 mg/g的创纪录水平。
• ZnS量子点@CoWO? Z型异质结表现出214倍的光催化增强效果（k = 0.03247 min?1）。
• 废弃物资源化与AI/ML加速可持续材料发现，并建立理性设计规则。

引言

有害污染物造成的环境污染仍然是21世纪最紧迫的全球挑战之一。化学物质向自然生态系统中广泛且不受控的释放，加剧了人们对其对环境完整性和人类健康造成有害影响的担忧。全球污染物产量急剧增加，从1960年的约每年50万吨增长到2022年的估计4亿吨[174]。预测表明，到2050年累计产量可能达到330亿吨，凸显了人为排放的惊人规模[183]。污染负担的不断加重伴随着与环境暴露相关的复杂健康疾病的激增。各类污染物，包括大气污染物、水体毒素、土壤污染物、塑料、合成染料和细颗粒物，都与慢性呼吸道疾病、心血管疾病、中风和肺癌风险的增加有关。环境污染通常被称为一种"沉默的"或隐藏的致病因素，在多种人类疾病的病因学中发挥着显著却常被忽视的作用。据估计，涵盖有害生物、物理和化学环境风险因素的环境风险因素约占全球疾病负担的24%和全球总死亡人数的23%左右，凸显了对可持续缓解策略的迫切需求[114]。

环境修复技术的演变已从传统的物理/化学方法（例如沉淀、活性炭吸附、空气吹脱）发展到高级氧化工艺（AOPs），并最新发展至纳米材料平台。尽管传统方法已被广泛应用，但由于全氟和多氟烷基物质（PFAS）、微塑料和抗生素残留等新出现污染物的持久性、迁移性和对传统降解途径的抵抗力，它们越来越难以应对[193]、[194]、[195]。这一技术差距加速了寻找多功能、可持续材料的进程，这些材料能够在最小化二次影响的同时同时吸附、降解和感知污染物。

许多研究报告指出，传统的修复技术包括原位化学氧化、传统生物处理、化学沉淀和电渗析，往往受到持久性污染物降解不彻底的局限。这些方法可能产生二次有害副产物，降低整体处理效率，并产生高昂的运营和能耗成本。历史上，修复策略主要针对重金属、农药、染料和工业化学品等污染物。然而，新类别污染物的出现，包括持久性有机污染物和全氟及多氟烷基物质，揭示了传统处理方法中的重大缺陷[193]、[194]、[195]。这些新兴污染物之所以特别棘手，是因为它们的化学稳定性、结构多样性、环境持久性以及强烈的生物积累和远程传输倾向。它们对降解的抵抗力给现有修复框架带来了严峻挑战，迫切需要开发创新和可持续的替代方案。在此背景下，绿色化学方法在推进有效的环境修复方面发挥着关键作用。通过整合可持续设计原则，绿色化学推动更安全的材料选择、生命周期思维、废物最小化以及环保型工艺的开发，从而降低对生态系统和人类健康的风险。可持续方法通过设计更安全的化学物质、最大限度减少资源消耗、从源头防止废物产生、鼓励再利用和回收以及保障公众健康来促进环境管理。绿色化学的12项原则提供了一个全面的框架，可大致分为通过废物预防来减少能源和材料消耗的策略，以及侧重于设计更安全的化学品、工艺和技术的策略[45]、[92]。这一理念的核心在于通过设计本质上更安全的材料和工艺来主动降低毒性，从而在化学品生命周期的每个阶段最小化环境和健康危害。

将绿色化学原则与先进技术，特别是纳米技术相结合，对下一代环境修复具有巨大前景[51]。这些协同方法能够实现既功能优异又环境友好的材料和工艺开发，从而使技术创新与可持续发展目标相一致。绿色工程纳米材料提供了增强的表面反应活性、可调的物理化学性质以及对目标污染物的改善选择性，同时在合成和应用过程中最小化生态足迹。与此同时，植物修复、生物修复、高分辨率分析技术和先进环境监测系统等新兴修复策略正在扩展可用于污染减轻的工具包[71]。这些方法促进了早期检测、实时监测和针对性修复，从而提高了整体处理效率和风险评估准确性。

除材料开发外，修复技术的实际应用还严重依赖于反应器和过程强化工程。在各种反应器构型中，水降落膜（WFF）反应器已成为通过高级氧化工艺（AOPs）去除有机污染物的一种特别有效的设计[13]、[118]。在水降落膜反应器中，一层薄液膜在重力作用下沿倾斜或垂直表面流下，形成较大的液-气界面面积，从而促进高效的传质并增强活性物种的生成和利用。与传统间歇或搅拌釜式反应器相比，这种设计具有若干优势，包括减少传质限制、提高光催化应用中的光子利用效率、降低压降以及提升能效[13]、[118]。比较研究已证实平面降膜反应器通过臭氧氧化、光催化和非热等离子体工艺降解双氯芬酸和布洛芬等药物污染物的有效性[11]。此外，WFF反应器已成功与各种AOPs集成——包括光催化、臭氧氧化、Fenton过程和介质阻挡放电等离子体——用于处理从合成染料到新兴药物污染物的各种有机污染物[13]、[118]。先进纳米材料与优化反应器设计（如WFF构型）的协同作用代表了将实验室规模的修复技术向工业规模实施转变的关键方向。

与合成催化剂并行发展的是，基于生物炭的材料已成为AOPs的可持续且具成本效益的催化剂，其性能可与传统金属基催化剂相媲美，同时提供更优的环境兼容性和更低的碳足迹[12]。此外，使用MOF基吸附剂去除水基质中的抗生素残留已得到广泛研究，MOF提供了高比表面积、可调孔径和针对药物污染物的选择性结合位点[10]。

此外，可持续材料与纳米技术（包括碳基纳米材料、纳米合金和杂化纳米结构）与机器学习算法的融合正在革新我们预测生态风险、模拟污染物传输动力学和优化修复性能的能力[78]、[108]。数据驱动的建模和人工智能正日益促进更精准的修复系统设计和自适应管理策略。然而，环境修复远不止于技术进步。它本质上是跨学科的，运作在科学研究、公共政策、监管治理、社会经济考量和社区参与的交汇点上。因此，可持续的污染缓解不仅需要材料创新，还需要连接科学突破、监管实施和社会接受的综合框架。

尽管关于绿色纳米材料用于环境修复的综述日益增多，但仍有四个关键研究空白未得到解决：（i）缺乏将材料性质与修复效率联系起来的定量结构–性能–效能关系；（ii）缺乏将人工智能和机器学习（AI/ML）作为核心预测框架用于合成优化和性能预测；（iii）忽视了循环经济原则——废弃物资源化、可再生原料和寿命终止管理——在材料选择和工艺评估中的作用；（iv）缺乏跨多种材料系统的系统性多维比较以指导材料选择。这些局限性在最近的综述中显而易见：Hou等人[62]仅关注石墨烯复合材料而未扩展到其他纳米杂化材料；Camparotto等人[21]侧重于吸附机制而未整合光催化或传感；Norton & Norton[126]讨论了可持续性但缺乏AI/ML整合；Solayman等人[172]和Genet等人[49]未能建立定量结构–性能–效能关系或提供系统性比较。为了提供更清晰的视角，表1将本综述与十篇代表性近期综述[14]、[18]、[21]、[49]、[62]、[70]、[126]、[172]、[193]、[194]、[195]、[209]在关键维度上进行了比较，包括材料范围、绿色合成、AI/ML整合、循环经济和性能评估。如表1所示，本综述独特地整合了定量结构–性能–效能关系、AI/ML辅助设计、全面的循环经济框架和多维度性能矩阵——这些特征在以往综述中明显缺失。

为填补这些空白，本综述追求五个具体目标：（i）建立定量结构–性能–效能关系，将纳米杂化材料的组成、形貌、表面化学和电子结构与吸附容量、光催化效率和传感极限联系起来；（ii）批判性评估AI/ML在预测建模、合成参数优化和绿色纳米杂化材料高通量虚拟筛选中的当前和潜在作用；（iii）通过循环经济视角评估修复材料，强调废物到财富的转化、可再生前驱体和材料可再生性；（iv）提供全面的性能矩阵，直接比较若干代表性材料系统在十个实际维度上的表现，包括真实污水验证、可重复使用性、毒性和可扩展性；（v）识别必须克服的关键挑战——可扩展性、长期稳定性、生态毒理学风险和监管障碍——以将这些材料从实验室研究转化为现场部署。

值得注意的是，本综述在四个具体方面与以往工作区分开来。与孤立描述个别材料类别的早期综述不同，我们在统一的一套性能和可持续性指标下系统比较了29种绿色纳米杂化材料，提供了可操作的决策框架。先前的研究仅将AI/ML提及为未来展望，而我们将它整合为一种立即可用的预测设计和工艺优化工具包。与仅关注去除机制的综述不同，我们将所有讨论都嵌入一个涵盖原料选择、绿色合成、应用、再生和处置的循环经济框架中。最后，虽然大多数现有综述未建立纳米结构与宏观性能之间的机理联系，但我们的第8节明确推导了将特定物理化学性质与修复结果连接起来的设计规则，从而实现理性材料工程而非试错式开发。

本综述通过三方面的贡献填补了这一空白：（a）对从29种代表性材料系统中推导出的结构–性能–效能关系进行批判性分析；（b）对AI/ML在修复领域的预测建模、合成优化和逆向设计中的综合讨论；（c）以循环经济为视角，强调废弃物资源化、可再生原料和寿命终止材料管理。与主要强调孤立修复技术或特定污染物类别的早期综述不同，本工作采取了整体性和综合性的视角。其关键区别特征在于强调跨学科融合，特别是整合AI/ML工具以通过预测建模、工艺优化和自动化性能评估来增强修复策略。通过比较分析可持续材料（包括绿色复合材料、生物衍生材料和先进纳米杂化材料）与传统修复技术，本综述强调了可持续系统在可再生性、操作可行性、减少二次污染和长期环境安全方面具有优越的潜力。严格审视了关键挑战，包括大规模可制造性、真实条件下的结构和化学稳定性、全生命周期性能以及潜在的长期生态毒理学效应。综述还讨论了影响先进材料从实验室研究向现场部署转化的新兴创新、监管框架和政策考量。

总之，本综述在四个具体方面超越了现有文献。首先，它为绿色纳米杂化材料建立了定量结构–性能–效能关系，将组成、形貌、表面化学和电子结构与吸附容量、光催化效率和传感极限联系起来。其次，它提供了一个全面的性能矩阵，在十个维度上直接比较了若干材料系统，包括真实污水验证、可重复使用性、毒性和可扩展性——这种比较深度在以往综述中未曾出现。第三，它将AI/ML辅助设计原则整合为预测性材料优化的一种前瞻性策略，而非仅仅是未来展望。第四，它将所有讨论嵌入循环经济框架中，强调废物到财富的转化（如生物质量衍生的碳、塑料升级利用和工业副产品资源化）是可持续修复不可或缺的组成部分。没有任何先前的综述同时解决这四个维度，使本工作成为研究人员、工程师和政策制定者的独特且及时的重要资源。通过将材料创新与绿色化学和循环经济原则相结合，本综述旨在引导未来研究走向可扩展、无毒且具有环境韧性的技术，从而为全球可持续环境管理 discourse 做出有意义的贡献。

章节摘要

环境污染物的分类与影响

环境污染源于多种污染物，这些污染物严重扰乱生态系统稳定并威胁人类健康。根据来源、化学性质和环境影响，这些污染物可分为以下几类。主要的污染物类别包括：

（a）大气污染物：大气污染主要由工业化、城市扩张、交通运输活动和化石燃料燃烧驱动。

主要初级污染物包括氨（NH?）和氮氧化物

污染物的健康与生态后果

工业和市政废物的未经控制排放对生态系统完整性和公众健康构成严重威胁。新兴污染物，如微塑料、城市固体废物和填埋场渗滤液，日益被认为是导致土壤退化、农业生产力下降和生物多样性丧失的主要贡献因素。源自生活 Sewage 的生物固体、持久性化合物（如多卤代咔唑类，具有类二噁英毒性）等。

绿色可持续材料的原则

可持续化学代表着一种对环境负责的化学产品和材料的设计、制造和应用方式。它强调使用易于获得的和可再生的原料、更安全的试剂、绿色催化以及面向生命周期的产品设计，以最大限度地减少对环境和人类健康的不良影响。可持续化学的目标不仅是从源头防止污染，还要促进社会福祉和经济增长。

污染物修复的机制框架

对修复机制的基本理解对于理性的材料设计和工艺优化至关重要。本节系统地描述了绿色纳米杂化材料所采用的六种主要途径：吸附、光催化、离子交换、膜分离、活性氧（ROS）生成以及纳米生物修复，建立了结构-机制-性能关系，指导材料选择和运行策略[40]、[136]。表4提供了……

先进与新兴修复技术

对于水环境中持久性污染物的降解，光催化和光-Fenton氧化技术已成为成功且有效的高级氧化工艺。这两种方法均展示了协同光催化效应，有机染料可在水介质中被光-Fenton反应捕获。

纳米传感器在环境监测中的作用

从酶活性和细胞通信到环境监测和化学品制造，阴离子对许多生物系统和工业过程都至关重要。因此，大量研究关注于开发识别和测定阴离子的有效技术。由于其易用性、灵敏度和实时检测能力，比色和荧光传感器已成为这些技术中特别有力的工具[137]。通过颜色……

绿色纳米杂化材料中的结构-性质-性能关系

尽管先前的综述在孤立状态下描述了材料性能，但本节提供了一种新颖的系统性分析，探讨特定的物理化学性质——组成、形貌、表面化学和电子结构——如何直接决定修复效果，从而建立了现有文献中明显缺失的设计规则。

前面的章节已经列举了各类绿色纳米材料及其在环境修复中的应用。

绿色纳米杂化材料的环境风险、生态毒性和监管挑战

尽管绿色纳米杂化材料在环境修复中具有显著优势——包括高吸附容量、光催化效率和可持续合成路线——但其潜在的环境和健康风险必须得到严肃评估。无机纳米材料在水修复方面的进展凸显了对合成可持续性、浸出风险、长期环境归趋和工业化可扩展性的严重关切[68]。相同的物理化学……

关键局限性与知识空白

尽管取得了相当多的进展，但仍然存在若干关键局限性和知识空白，阻碍了绿色纳米杂化材料从实验室研究向实际环境修复的转化：

（i）可扩展性与工业转化：大多数综述案例为实验室规模演示（技术就绪度等级3–5）。迫切需要系统研究在现实条件下的中试规模性能、连续流操作和长期稳定性。从批次吸附向……的过渡。

结论

快速城市化、工业扩张和集约化农业实践带来的日益严峻的环境压力，要求从根本上重新思考污染修复策略。本综述批判性地审视了前沿可持续纳米材料和绿色技术——旨在减轻陆地和水生生态系统中的污染，特别关注废物资源化、多功能架构和光催化系统。

本综述做出了……

CRediT作者贡献声明

Aastha Rana：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，调查研究，形式化分析，概念化。
Manish Kumar：撰写——初稿，软件，方法论，调查研究。
Thakur Gurjeet Singh：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，调查研究，形式化分析。
Gagandeep Singh：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，监督，项目管理，方法论，调查研究。
Omirserik Baigenzhenov：撰写——审阅与编辑，撰写——……

未引用参考文献[107]

利益冲突声明

作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

Aastha Rana|Manish Kumar|Thakur Gurjeet Singh|Gagandeep Singh|Omirserik Baigenzhenov|Basem E. Keshta|Zaher Mundher Yaseen|Ahmad Hosseini-Bandegharaei