环境材料丨南京林业大学Rare metals综述论文丨纳米纤维素基气凝胶在环境修复吸附应用中的研究进展：现状、挑战与未来展望

2026年，国际期刊《Rare Metals》发表了南京林业大学卞辉洋团队题为“Nanocellulose-based aerogels for adsorption applications in environmental remediation: State of art, challenges, and future outlook”的综述论文。针对全球环境污染日益加剧、亟需可持续高效吸附材料的问题，本文系统梳理了纳米纤维素（NC）基气凝胶在环境修复吸附领域的最新进展。文章首先详述了合成策略，涵盖溶胶-凝胶过程与干燥技术（冷冻干燥、超临界干燥、常压干燥），以及3D打印、乳液模板法等可实现精确结构控制的新兴制备方法；核心部分批判性审视了这些可调控气凝胶在去除重金属离子、有机染料、油类、抗生素、气体分子及新兴微/纳米塑料等污染物方面的应用，并针对每一类别深入探讨了静电相互作用、螯合作用、范德华力、亲水与疏水相互作用及扩散与物理筛分等吸附机制。最后，综述对当前挑战与未来方向提出展望，强调可规模化制造和实际场景稳定性，以弥合实验室创新与实际环境修复之间的差距。《Rare Metals》是Springer旗下期刊，主要刊登稀有金属及材料科学领域高水平研究成果，属于中科院材料科学1区TOP期刊。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.renene.2026.125877

全球环境污染日益加剧，亟需开发可持续且高效的吸附材料。纳米纤维素（NC）源自地球上最丰富的天然聚合物，凭借其可再生性、生物可降解性及优异的纳米尺度特性，在该领域展现出巨大潜力。将NC组装为三维气凝胶结构，是克服纳米材料团聚并充分发挥其高比表面积和丰富表面化学特性的关键策略。本综述全面概述了NC基气凝胶在多场景吸附应用中的最新进展。首先详细讨论了合成策略，包括基本的溶胶-凝胶过程和干燥技术（冷冻干燥、超临界干燥和常压干燥），以及可实现精确结构控制的新兴制备方法（如3D打印和乳液模板法）。综述的核心部分批判性地审视了这些可调控气凝胶在去除多种污染物方面的应用，包括重金属离子、有机染料、油类、抗生素、气体分子及新兴微/纳米塑料。针对每一类别，深入探讨了其潜在的吸附机制，如静电相互作用、螯合作用、范德华力、亲水与疏水相互作用，以及扩散与物理筛分。最后，本综述对当前挑战和未来方向提出了展望，强调需要可规模化制造和在实际场景中增强稳定性，以弥合实验室创新与实际环境修复之间的差距。

作为一种天然同多糖，纤维素因其优异的物理化学性质而被广泛应用。纤维素是一种极其丰富的材料，植物每年生物合成量约为70亿吨。通过机械和化学处理去除木质素和半纤维素，纤维素纤维可被加工为纳米纤维素。作为一种具有纳米尺度（< 100 nm）的可再生、可生物降解的生物聚合物，它主要分为三类：纤维素纳米纤维（CNFs）、纤维素纳米晶（CNCs）和细菌纳米纤维素（BNC）。它们在长径比、结晶度和制备方法上的差异，决定了各自构建气凝胶网络的适用性。凭借高比表面积、丰富的表面化学特性和可调控的形貌，这些纳米纤维素在实际应用中展现出卓越潜力。

纳米纤维素（NC）基气凝胶已成为优异且可持续的吸附材料。吸附和尺寸排阻是膜基水净化技术的主要机制。NC基气凝胶在水和空气净化中均具有重要意义。由于具有多孔三维固体骨架（孔隙率约99%）、极高的比表面积（通常为100–1600 m² g⁻¹）和超低密度（10–260 kg m⁻³），NC基气凝胶表现出卓越的吸附能力。互连的纳米级网络提供了巨大的表面积和丰富的活性位点以结合污染物，使气凝胶能够以数倍于自身重量的容量捕获并保留污染物[22]。除这些固有特性外，其表面化学可通过化学改性（如酯化、硅烷化或接枝聚合）精确调控，以增强对特定污染物的亲和力，从而显著提高选择性和吸附效率。因此，NC基气凝胶正迅速成为用于深度处理水和空气污染物的多功能高效吸附剂。本综述系统总结了NC基气凝胶的制备策略，特别聚焦于其在吸附污染物方面的应用，包括重金属离子、有机污染物（染料、油类和抗生素）、气态分子（CO₂、VOCs和PM2.5）以及新兴微/纳米塑料。本综述还对吸附性能和机理进行了系统分析。最后，讨论了当前挑战和未来展望，强调可规模化制备、长期实际稳定性和可持续管理。

1、构建“夜间集水—白天净水”的一体化全天候制水体蒸发器（WHED）。区别于仅实现太阳能蒸发或单独大气集水的传统装置，该工作将大气水捕获模块与界面太阳能蒸发模块整合于同一器件：夜间从空气中捕获水分，白天利用太阳能驱动蒸发和净化，从器件设计层面实现不同时间尺度下两种功能的协同。

2、通过HNO₃、O₂等离子体以及CaCl2负载三重亲水/吸湿处理提升AGF气凝胶毡水分储存与快速迁移。

3、FeCo₂O₄/PPy复合光热材料与仿生根系水传输通道（R-WTC）协同实现了高效光热转换与热管理。

4、仿生“根系”输水通道设计兼顾快速供水与低热损失。

图1 | 纳米纤维素基气凝胶的制备技术及其多样化吸附应用的示意图。

图2 |纳米纤维素基气凝胶制备概览。（A）溶胶-凝胶转变过程示意图，展示纳米纤维素构筑单元的分散及其组装为三维水凝胶网络。（B）三种主要干燥路线及其孔结构的示意图对比。（C）FD与SCD制备气凝胶的吸水能力定量对比分析。（D）APD制备气凝胶的结构图像。（E）溶剂交换辅助常压干燥（APD）过程的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图3 | NC基气凝胶的先进制造方法，包括3D打印、乳液聚合和水塑性发泡。

图4 | 气凝胶的新兴制备策略。（A）3D打印过程及形状可定制气凝胶的示意图。（B）Pickering乳液模板法制备的纳米纤维素气凝胶的力学性能及承重能力照片。（C）水塑性发泡过程的示意图。（D）水塑性发泡气泡形貌演变的示意图。

在。

图5 | NC基气凝胶多样化吸附应用的示意图，包括重金属离子、有机污染物、空气污染物及微/纳米塑料。

图6 | NC基气凝胶去除重金属离子的概览。（A）重金属离子的危害。（B）NC基气凝胶的三维多孔结构。（C）纳米纤维素的化学改性。（D）NC基气凝胶的照片及其对应的Cu²⁺吸附容量。（E）Cu²⁺吸附的准二级动力学模型。（F）不同pH条件下NC基气凝胶对Cu²⁺的吸附。（G）不同纳米纤维素气凝胶的Cu²⁺吸附容量对比。

图7（a）。图7 | NC基气凝胶对重金属离子的吸附机理。（A）NC基气凝胶对重金属离子的吸附机理，包括静电相互作用、离子交换和螯合作用。（B）NC基气凝胶对重金属离子pH依赖性吸附行为的机理示意图。

图8 | NC基气凝胶用于有机污染物吸附的概览。（A）NC基气凝胶吸附有机污染物（包括染料、油类和抗生素）的示意图。（B）NC基气凝胶在混合染料体系中对MB选择性吸附的照片。（C）NC基气凝胶吸附过程中染料随时间的颜色变化。（D）NC基气凝胶对MB的吸附性能。（E）NC基气凝胶对染料的吸附性能与机理。（F）化学基团对NC基气凝胶吸附容量的影响。

图9 | NC基气凝胶用于油类吸附的综合概览。（A）NC基气凝胶吸附油类机理的示意图。（B）NC基气凝胶吸附轻油和重油的照片。（C）NC基气凝胶的油吸附容量。（D）NC基气凝胶丰富的比表面积。（E）经HDTMS气相沉积改性后NC基气凝胶的吸附容量。

图10 | NC基气凝胶用于抗生素去除及吸附容量的概览。（A）NC基气凝胶对抗生素的吸附容量。（B）NC基气凝胶的主要吸附机理（π–π堆积、氢键、静电相互作用）。（C）气凝胶在7次循环下保持的稳定性能。（D）UiO-66/PDA/BC气凝胶的SEM图像。（E）气凝胶在真实水体中的吸附容量。

图11（a）。图11 | NC基气凝胶用于空气污染物的示意图、吸附性能与机理。（A）主要空气污染物（CO₂、VOCs、PM2.5）的示意图。（B,C）胺化改性后NC基气凝胶的SEM图像及CO₂吸附性能。（D）NC基气凝胶的吸附机理。（E,F）NC基气凝胶中乙酸基团与CO₂分子之间三种结合模式的吸附性能与机理。（G）基于氢键和扩散机制的NC基气凝胶NH₃检测传感器示意图。

图12 | NC气凝胶吸附微/纳米塑料的性能。（A）捕获MPs的主要机理（物理拦截、静电吸引和分子间相互作用）。（B）甲壳素和甲壳素/纤维素泡沫对PS微球的吸附容量随时间的变化。（C）MD模拟的甲壳素/纤维素泡沫吸附不同微塑料的稳定构型快照。彩色等值面对应吸附PS、PP、PET和PMMA的IGMH分析。

图13 | NC基气凝胶在环境修复吸附应用中未来方向的概览。

本综述系统总结了纳米纤维素从纳米尺度材料到功能性三维气凝胶的发展历程及其在环境吸附领域的多样化应用。奠定基础网络的初始溶胶-凝胶过程、决定最终多孔结构的关键干燥步骤，以及提供前所未有的结构控制的新兴制备技术，共同决定了NC基气凝胶的性能。在应用方面，NC基气凝胶固有的表面化学特性与工程化孔结构之间的协同作用，使其能够高效去除多种污染物，包括通过螯合和静电捕获去除重金属离子，通过润湿性调控和π–π相互作用去除有机染料和油类，通过胺接枝化学吸附去除气态污染物，以及通过物理筛分与多模态分子间力的独特结合去除新兴微/纳米塑料。

Yaqian Yu, Yufan Feng, Hongqi Dai, Xuelian Zhou, Huining Xiao,Huiyang Bian*. Nanocellulose-based aerogels for adsorption applications in environmental remediation: State of art, challenges, and future outlook. Rare metals, 2026, 45(9), e70562.

识别上方二维码访问论文原文

卞辉洋（通讯作者），博士，副教授，硕士生导师，制浆造纸工程系主任。从事纳米纤维素材料制备及功能应用研究，入选第九届中国科协“青年人才托举工程”项目（2023年）和江苏高校“青蓝工程”培养对象（2024年）。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目等科研项目8项。以第一/通讯作者在Adv. Func. Mater.、J. Bioresour. Bioprod.、Adv. Compos. Hybrid Mater.、Chem. Eng. J.、复合材料学报、中国造纸学报等国际/国内期刊发表学术论文50余篇（其中SCI论文引用6800余次，h指数45），授权发明专利5项，担任Nat. Commun.、Adv. Func. Mater.等国内外20余种期刊审稿人。连续5年（2021~2025年）入选全球前2%顶尖科学家榜单，曾获得梁希林业科学技术奖自然科学奖二等奖、梁希青年论文奖二等奖等奖励。指导学生获研究生国家奖学金1人、制浆造纸基金会奖学金5人，全国挑战杯黑科技专项赛等各类学科竞赛特等奖1次、一等奖5次、二等奖2次，梁希优秀学子奖1人，校“十佳大学生”1人。

翻译整理：阳光净水

编辑：环境与能源功能材料

声明： 1 、环境与能源功能材料公众号分享国际生物质（壳聚糖、纤维素、木质素、海藻酸等）功能材料、太阳能蒸发材料、新型吸附材料、碳基（石墨烯、碳纳米管、碳量子点、生物炭、富勒烯等）材料、 MOFs/HOFs/COFs 材料、光催化材料、 Fenton 材料、产氢材料等相关前沿学术成果，以及其它相关数据处理方法、论文写作和论文投稿等信息，无商业用途。2、本公众号尊重原创和知识产权人的合法权利。如涉及侵权，请立刻联系公众号后台或发送邮件，我们将及时修改或删除。3 、部分图片和资源来源网络或转摘其它公众号！凡注明 " 来源： xxx （非本公众号） " 的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。 4 、外文文献翻译目的在于传递更多国际相关领域信息。外文文献由课题组研究生翻译，因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大家批评指正。 5 、欢迎环境与能源材料相关研究成果提供稿件，环境与能源功能材料公众号将会及时推送。联系邮箱：EEmaterials@163.com ； 联系微信号： LeoChuk 。