蒸發(fā)材料

國際期刊《 Separation and Purification Technology 》期刊在線發(fā)表了題為“Recent advances in application of polypyrrole nanomaterial in water pollution control”的研究性論文，講述了 聚吡咯納米材料在水污染控制中的應用研究最新進展 ?！禨eparation and Purification Technology》是分離純化、化工、環(huán)境工程領域的優(yōu)質期刊，研究聚焦 “分離材料、廢水處理、海水淡化、膜技術” 等方向。

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面對復雜嚴峻的水污染形勢，各類水處理技術迅速發(fā)展，環(huán)境功能材料作為技術發(fā)展的物質基礎備受關注。聚吡咯是一種黑色導電聚合物，可通過吡咯單體的氧化聚合輕松制備，具有無毒、低密度、高純度、吸光性、導電性、抗菌性、耐腐蝕性和可改性等特性，因此被廣泛應用于水處理技術中。本研究總結了過去十年聚吡咯在分離純化、氧化還原、抗菌消毒等水污染控制技術中的研究成果，具體介紹了聚吡咯的合成方法、改性策略及應用場景，分析了其在相應水處理技術中的直接和間接作用機制，建立了聚吡咯結構性能與應用技術之間的關聯(lián)；同時，對聚吡咯當前的研究進展進行了批判性總結，并展望了其未來潛在的研發(fā)方向。

該論文聚焦聚吡咯（PPy）納米材料在水污染控制領域的應用研究，背景為工業(yè)化加劇導致水污染日趨復雜嚴峻，污染物涵蓋無機、有機及微生物三類，而導電聚合物因兼具碳材料、半導體材料和有機聚合物的特性成為研究熱點，其中聚吡咯以無毒、低成本、易制備及優(yōu)異的吸光性、導電性、生物相容性等優(yōu)勢，成為理想的環(huán)境功能材料，近年來相關年發(fā)表量穩(wěn)定在 1500 篇左右，約 300 篇聚焦水領域，但現(xiàn)有綜述多局限于單一材料、污染物或技術，缺乏對材料改性與技術交叉關聯(lián)的全面考量，因此論文旨在填補這一空白。論文詳細介紹了聚吡咯的合成方法（化學氧化聚合與光電氧化聚合）及改性策略（陰離子摻雜、共聚摻雜、表面改性），系統(tǒng)梳理了其在水污染控制三大核心技術中的應用：分離純化技術方面，可通過吸附作用去除有機污染物和無機離子（如 Cr (VI)、F?等），通過膜技術改善超濾 / 納濾膜的抗污染性與分離效率、提升陽離子交換膜的選擇性，還能作為光熱材料用于污水凈化和海水淡化，實現(xiàn)高效蒸發(fā)；氧化還原技術中，聚吡咯可通過光氧化、電氧化、化學氧化降解有機污染物，通過 photoreduction、電還原、催化氫化實現(xiàn)污染物的還原去除（如 Cr (VI) 還原、硝酸鹽選擇性還原）；抗菌消毒技術方面，依托聚陽離子骨架與細菌細胞壁的靜電作用破壞微生物細胞膜，還可結合其他抗菌材料或通過電穿孔技術實現(xiàn)高效消毒，且具有綠色節(jié)能、無二次污染的優(yōu)勢；此外，聚吡咯還可作為前驅體通過煅燒制備氮摻雜碳材料，用于海水淡化、光催化降解等其他場景。論文同時指出當前研究存在聚吡咯氧化態(tài)與還原態(tài)分子結構不明確、聚合度對其性能影響未受足夠關注、復合材材料中結構設計與制備參數(shù)對性能的影響研究不足等挑戰(zhàn)，未來應聚焦帶負電污染物吸附、膜分離、光熱、光氧化、電還原及抗菌技術等方向，建立制備參數(shù) - 結構 - 理化性質的關聯(lián)，開發(fā)高有序聚吡咯納米材料及新型接枝改性策略，探索技術聯(lián)合應用以充分發(fā)揮其多功能優(yōu)勢。

• 系統(tǒng)整合了過去十年聚吡咯在分離純化、氧化還原、抗菌消毒三大水污染控制核心領域的研究成果
• 深度挖掘聚吡咯無毒、導電、吸光、可改性等理化特性
• 聚焦帶負電污染物吸附、膜分離、光熱等關鍵方向

圖 1. 聚吡咯基材料的特性及其在水污染控制中的應用。

圖 2. Web of Science 數(shù)據(jù)庫中關鍵詞 “聚吡咯” 及 “聚吡咯 + 水” 的年度發(fā)文量。

圖 3. 聚吡咯的合成與改性策略：(a)聚吡咯的合成過程及光學特性；(b)不同類型聚吡咯的微觀結構；(c)分子結構改性策略

圖 4. 聚吡咯材料的吸附改性及其應用范圍：(a) 不同聚吡咯有機染料吸附基質的吸附與脫附過程機制圖；(b) 聚吡咯在不同 pH 值下對有機染料的吸附能力調節(jié)；(c) 聚吡咯改性材料在不同電勢下的吸附與脫附圖像；(d) 聚吡咯 / CMCS 復合材料對四環(huán)素的吸附調節(jié)；(e) 聚吡咯改性材料通過電荷密度變化實現(xiàn)的電吸附。

圖 5. 聚吡咯及聚吡咯基材料對 Cr (VI) 的吸附與還原特性：(a) 聚吡咯負載前后 Cr (VI) 的形態(tài)變化；(b) Cr (VI) 在聚吡咯上的吸附 - 還原過程；(c) pH 對吸附率的影響；(d) 聚吡咯的 Zeta 電位與吸附率的關系；(e) 電容去離子的示意圖；(f) 聚吡咯基材料的吸附容量測定；(g) 聚吡咯對重金屬的吸附（上）、聚吡咯 - 殼聚糖復合材料對水中重金屬的協(xié)同去除（下）。

圖 6. (a) 氧化態(tài)與還原態(tài)聚吡咯 - 十二烷基苯磺酸 / 聚偏氟乙烯膜的掃描電鏡圖像；(b) 外加電壓下聚吡咯 - 十二烷基苯磺酸 / 聚偏氟乙烯膜的水滲透示意圖；(c) 聚吡咯耦合納濾膜的制備方法；(d) 高級氧化與膜過濾耦合技術

圖 7. 基于聚吡咯的陽離子交換技術（左）與膜材料設計理念（右）

圖 8. (a) 水蒸發(fā)器的工程設計闡述；(b) 光熱蒸發(fā)器基底存在的問題及部分問題的解決方案

圖 9. (a) 聚吡咯 /g-C?N?光催化劑的光響應強度；(b) 聚吡咯的降解實驗；(c) 聚吡咯耦合光催化劑的降解機制；(d) 聚吡咯參與的 POA 光催化降解機理；(e) 聚吡咯的循環(huán)性能；(f) 聚吡咯的光電催化還原機理

圖 10. 化學氧化技術下聚吡咯在水中有機污染物降解中的應用

圖 11. (a) 不同催化劑降解效率的對比圖；(b) Ag?MoO?/ 聚吡咯光催化劑在 Cr (VI) 還原過程中的循環(huán)使用效率

圖 12. (a) 聚吡咯在電還原水處理中的應用；(b) 泡沫鎳電極上沉積的聚吡咯的形貌；(c) 在 Ru / 聚吡咯 / 泡沫鎳電極與 Ru / 泡沫鎳電極上，五氯苯酚（PCP）的電解降解效率隨循環(huán)次數(shù)的變化

圖 13. 催化氫化技術及聚吡咯參與的相關機制。

聚吡咯（PPy）憑借其全面的理化性質（如形態(tài)可塑性、模板包覆能力、離子交換能力、吸光性、電子傳輸能力、抗菌性等），在水污染控制領域發(fā)揮著關鍵作用。基于現(xiàn)有研究，聚吡咯的應用與其理化性質的關聯(lián)如圖 15 所示。從分子結構來看，仲胺基和共軛 π 鍵是其廣泛應用的核心基礎。此外，通過耦合、改性和煅燒等方法可制備特定的聚吡咯基納米材料，這有助于拓展聚吡咯的應用范圍并提升其相關性能。然而，該領域仍存在一些待解決的挑戰(zhàn)：

（1）聚吡咯氧化態(tài)與還原態(tài)的分子結構尚不明確。本研究基于氧化還原反應原理，給出了聚吡咯在這兩種化學狀態(tài)下可能的分子結構（見 3.1.1 節(jié)）。但為滿足未來更精細化的材料開發(fā)需求，需對聚吡咯不同化學狀態(tài)下的分子構型及理化性質開展充分研究。

（2）現(xiàn)有研究忽視了聚吡咯聚合度對其光吸收和導電性的影響。不同聚合度下的光吸收與導電特性、是否存在基團效應以及聚合度的精細調控能力等問題，均值得深入探討。這對于涉及光子和電子轉移的水污染控制技術具有重要意義。

（3）針對聚吡咯基復合材料，現(xiàn)有研究過度關注耦合促進效應，而對聚吡咯的結構設計、制備參數(shù)對復合材料性能的影響報道較少。同時，高有序聚吡咯納米材料的研究尚不充分，限制了其在更多領域的應用潛力。

此外，聚吡咯的應用研究領域應適當聚焦，以實現(xiàn)關鍵突破。未來，聚吡咯的研究方向應集中于帶負電污染物吸附、膜分離技術、光熱技術、光氧化技術、電還原技術及抗菌技術。具體研究工作包括：1）全面建立制備參數(shù) - 結構 - 理化性質之間的關聯(lián)；2）制備高有序聚吡咯納米材料并探究其應用潛力；3）開發(fā)更多聚吡咯接枝改性策略，以獲得高性能聚吡咯基功能材料；4）積極探索技術聯(lián)合應用的可能性，充分發(fā)揮聚吡咯的多功能優(yōu)勢。

Wang, W., Lv, Y., Liu, H., & Cao, Z. (2024). Recent advances in application of polypyrrole nanomaterial in water pollution control. Separation and Purification Technology, 330, 125265. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125265.

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資料整理：周雷豪（陽光凈水）

編輯：環(huán)境與能源功能材料

周雷豪（陽光凈水課題組）

【資料整理】周雷豪，資源與環(huán)境專業(yè)碩士研究生。

詳細內容看課題組主頁：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發(fā)材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續(xù)殼聚糖基界面蒸發(fā)材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結了殼聚糖基太陽能界面蒸發(fā)器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應用。最后，總結了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰(zhàn)?！禝nternational Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領域的工業(yè)應用，最新中科院分區(qū)：8.50/二區(qū)TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”綜述論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述殼聚糖基異相催化劑在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導體/殼聚糖基復合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機框架/殼聚糖基復合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復合材料（NZVMs@CSbMs）等5種Cat@CSbMs材料的制備策略及作為助催化劑、光催化劑、類芬頓試劑在處理各類廢水中的應用進展。該綜述不僅加深了對環(huán)境功能材料與環(huán)境污染控制作用的理解，也為未來Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和還原金屬離子等相關領域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用43次（Web of Science），2025年5月起入選ESI高被引論文。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了 陽光凈水課題組 題為 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 綜述論文。本綜述全面總結了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點闡述了MoS2bMats在環(huán)境污染物吸附、光催化降解和還原、Fenton高級氧化、PMS/PS活化氧化、廢水脫鹽（膜過濾和太陽能蒸發(fā)脫鹽）等方面的應用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應用之間存在差距、工程挑戰(zhàn)、未來的研究方向和機遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用23 次（ Web of Science ）。

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2025年 06 月 ，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 綜述論文。本文全面綜述了用于廢水中磷回收和去除的殼聚糖基吸附材料（CSMats）的性質、改性方法、影響因素。同時，總結了CSMats吸附去除水體磷的主要作用機理（氫鍵、靜電作用、路易斯酸堿相互作用、配體/離子交換和表面沉淀作用）。此外，還歸納了CSMats的再生方法、連續(xù)流處理和在實際廢水中應用。 最后，討論了 CSMats除磷材料面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領域的工業(yè)應用，2025年6月最新影響因子/中科院分區(qū)： 8. 50/ TOP 期刊。該論文自 2024 年1 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用8 次（Web of Science ），國際引用占比75%。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環(huán)境是未來最重要的要求之一。與傳統(tǒng)材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環(huán)保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環(huán)境修復和監(jiān)測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復合材料在環(huán)境修復與監(jiān)測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用59 次（ Web of Science ），國際引用占比55.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實現(xiàn)環(huán)境保護和資源利用非常重要。構建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰(zhàn)和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用 43 次（ Web of Science ）。

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