2026年，《Advanced Materials》期刊在线发表了题为“Bioinspired Artificial Plant for Deep Soil Heavy Metal Remediation”的研究性论文。实验数据显示，该系统在1小时光照条件下太阳能蒸发速率高达约3.36 kg·m-2·h-1，Cu2+吸附容量达139.2 mg·g-1，7天内去除率最高可达70.2%。《Advanced Materials》期刊2025年影响因子为26.8，《Advanced Materials》是全球极具权威的期刊之一，也是先进系列期刊的核心刊物，数十年来始终是顶尖材料科学研究成果的首选刊载平台。
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重金属（HMs）对土壤的污染已成为日益严峻的环境问题，威胁着生态系统和人类健康。然而，土壤结构致密且具有异质性，严重限制了水分和离子的传输，尤其在深层土壤中显著降低了修复效率。此外，重金属的高流动性会导致其向下迁移，使得深层土壤修复尤为困难。本研究通过模拟植物的蒸腾作用和选择性吸附特性，开发出一种仿生定向多孔壳聚糖/改性活性炭气凝胶（BAMC），有效克服了传统植物修复技术处理周期长、渗透深度有限（<1m）的缺陷。该 BAMC 结合了低迂曲通道实现定向传质、太阳能驱动蒸发促进离子对流迁移，以及纳米级活性位点实现高效吸附，从而在深层土壤中实现高效修复。实验数据显示，该系统在1小时光照条件下太阳能蒸发速率高达约3.36 kg·m-2·h-1，Cu2+吸附容量达139.2 mg·g-1，7天内去除率最高可达70.2%。值得注意的是，该系统在约1.5米深度仍能有效修复污染物，突破了传统植物修复技术的局限。这种人工植物系统为持久性深层土壤重金属修复提供了环保、高效且可大规模推广的解决方案。
随着社会发展，土壤重金属（如 Cu2+、Cd2+、Pb2+、Cr6+等）污染成为全球环境难题，重金属难降解、易累积，会威胁生态系统与人体健康，还会随雨水迁移至深层土壤或地下水，扩大污染范围，亟需高效修复技术。传统物理化学修复（土壤淋洗、固化稳定化等）能耗高、易产生二次污染，长期稳定性差；粉末吸附剂难回收，易释放重金属。植物修复虽然环保低成本、可大面积原位处理，但修复周期长、根系穿透深度有限（＜1m），深层土壤（结构致密、氧含量低、根系稀少）污染物难以去除，应用受限。此前仿生太阳能蒸发系统虽能模拟植物蒸腾净化表层土壤，但缺乏定向孔道结构调控，无法实现类似植物维管束的定向快速传质，难以突破 1m 以上深层土壤修复的瓶颈。深层土壤结构致密，严重阻碍水和离子传输；重金属迁移性强易下渗，常规技术难以兼顾高效传质、强吸附能力、深层渗透三大需求，亟待开发仿生定向多孔材料，耦合太阳能驱动蒸腾与选择性吸附，实现深层土壤重金属高效修复。
提出仿生“人工植物”新概念（BAMC）模仿植物蒸腾与选择性吸附，开发定向多孔壳聚糖/改性活性炭气凝胶（BAMC），用于深层土壤重金属修复，突破传统植物修复深度不足（＜1m）的限制。
独特定向孔道结构，传质效率显著提升，通过冰模板法制备低曲折度、垂直对齐的微米级通道，大幅降低水与离子传输阻力；水吸收速度比无序多孔材料快、离子传输速率提升8倍，为深层修复提供关键结构基础。
1生物启发式定向多孔mCNPs/壳聚糖气凝胶（BAMCs）的制备方法、结构及基本特性：a) BAMCs的冰模板法制备工艺。将所有组分组成的预交联分散液以0.8 mm·min⁻¹的速度浸入低温源中，交联24小时后进行冷冻干燥；b) BAMC的光学图像；cd) BAMC在不同放大倍数下的扫描电子显微镜（SEM）图像。样品在−90°C条件下制备，平均孔径约为30 µm，标记为BAMC -30 µme)通过各向同性冷冻法制备的随机结构mCNPs/壳聚糖气凝胶（RMC）的SEM图像；f)红外图像显示BAMCRMC不同的吸水行为；g)吸水前沿高度随时间变化曲线与红外图像(f)对应。
图2生物启发式排列多孔mCNPs/壳聚糖气凝胶（BAMCs）的太阳能水蒸发与吸附性能：a) BAMC在太阳能驱动蒸腾作用下从土壤中吸附Cu²⁺的示意图。表面蒸发引发装置内部的对流性水流，Cu²⁺离子在吸附与对流作用下迁移至样品并固定于吸附位点；b)模拟太阳能驱动土壤修复试验中BAMC样品的图像，实验采用石英砂作为吸附介质；c)不同孔径（15、30、80 µm）、RMC和CMC的BAMC在2小时日照下的水分蒸发情况；d)不同样品在光照与黑暗条件下7天测试后的Cu²⁺吸附容量；e) BAMC -30 µm、RMC、CMC在0日照（黑暗）密封、0日照（黑暗）开放、0.5、0.75、1、1.5及2小时日照条件下的总蒸发量；f) BAMC -30 µm、RMC、CMC在不同总蒸发量下的吸附容量变化曲线，虚线反映了吸附容量随总蒸发量的变化趋势。
图3对由对流和吸附驱动的快速深层离子去除机制的实验分析：a–c）染料迁移测试中第0天、第7天、第14天及第28天的横截面光学图像，分别对应(a) BAMC（1个太阳，含CNPs）、(b)BAC（1个太阳，不含CNPs）和(c) BAMC（无蒸发，含CNPs）。d）横截面光学图像灰度二值化与伪彩色处理示意图。可通过MATLAB获取不同水平距离和垂直深度处像素的二维灰度数据。e）不同实验日下BAMC（1个太阳，含CNPs）在50、100及150毫米深度处的水平灰度投影图；f）不同实验日下BAMC（1个太阳，含CNPs）在10、20、30及40毫米距离处的垂直灰度投影图。
图4 BAMCs对深层土壤重金属的去除效果：a)在太阳能驱动蒸腾作用下，BAMC从深层土壤中吸附Cu2+的示意图。图中提出了临界深度：超过该深度时离子传输同时受吸附和对流驱动；低于该深度时仅由吸附主导。b)不同直径滤纸在1小时光照条件下BAMCs的蒸发速率。滤纸表面涂覆mCNPs后置于BAMC上作为人工叶片使用。c)不同直径人工叶片覆盖的BAMC在不同土壤深度下的吸附容量。直径为1、2、3cm的涂覆滤纸分别置于BAMCs表面。d) BAMC、CMC、表面吸附剂及对照组（无吸附剂）在不同土壤深度下的吸附容量。e) (d)中各样品的蒸发速率及临界深度。
图5实际污染土壤修复及BAMCs的耐久性：a)真实土壤中人工植物的光学图像；b)修复试验7天、14天、21天和28天后土壤中的Cu2+含量；c)修复试验28天后不同土层深度的Cu2+含量；d)为期4周修复试验期间的蒸发速率；e) 4周修复试验前后土壤中Cr6+
总体而言，我们开发了一种仿生对齐多孔吸附材料（BAMC），用于深层土壤重金属修复。该 BAMC 在模拟土壤和实际土壤中均表现出优异的重金属吸附性能，其低迂曲度显著提升了物质传输效率。该人工植物系统在太阳能照射下展现出超快的水分蒸发速率，使吸附容量从103.7 mg·g-1大幅提升至139.2 mg·g-1。此外，该人工植物还能有效去除1.5米深土壤中的重金属离子，平均去除率超过60%。通过优化材料的吸附位点与对齐孔隙结构，重金属去除效率在吸附速率和吸附容量两方面均得到显著提升。此类仿生多孔材料为土壤重金属污染提供了绿色、高效且经济的解决方案；其广泛适用性与长期耐久性为深层土壤污染的大规模原位修复开辟了潜在途径。
Z.Dong, Z.Shao, M.Li, and H.Bai, “Bioinspired Artificial Plant for Deep Soil Heavy Metal Remediation.” Advanced Materials38, 28 (2026): e73102. https://doi.org/10.1002/adma.73102
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资料整理：徐泽恩（阳光净水）
编辑：环境与能源功能材料
徐泽恩（阳光净水课题组）
【资料整理】徐泽恩：资源与环境硕士研究生，研究方向为海水/废水蒸发处理，发表中科院TOPSCI期刊论文3篇，参与浙江省自然科学基金项目2项，获一等学业奖学金1次。
阳光净水课题组：主要研究方向为壳聚糖功能材料、太阳能蒸发材料、磁性吸附材料、污染物吸附和环境催化反应机理。课题组主页：
https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue
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壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料
2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。
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2024年06月08日，国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”综述论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述壳聚糖基异相催化剂在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本综述概述了金属氧化物/壳聚糖基复合材料（MOs@CSbMs）、金属硫化物/壳聚糖基复合材料（MSs@CSbMs）、铋基半导体/壳聚糖基复合材料（BibSCs@CSbMs）、金属有机框架/壳聚糖基复合材料（MOFs@CSbMs）和纳米零价金属/壳聚糖基复合材料（NZVMs@CSbMs）等5种Cat@CSbMs材料的制备策略及作为助催化剂、光催化剂、类芬顿试剂在处理各类废水中的应用进展。该综述不仅加深了对环境功能材料与环境污染控制作用的理解，也为未来Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和还原金属离子等相关领域的研究提供了参考和启示。该论文自2024年6月发表以来，现已被引用53次（Web of Science），国际引用占比73%，2025年5月起入选ESI高被引论文。
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2024年 12 月 24 日，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了 阳光净水课题组 题为 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 综述论文。本综述全面总结了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高废水处理和水净化的有效改性策略，并重点阐述了MoS2bMats在环境污染物吸附、光催化降解和还原、Fenton高级氧化、PMS/PS活化氧化、废水脱盐（膜过滤和太阳能蒸发脱盐）等方面的应用。最后，讨论并提出了 MoS 2 bMats 理论研究与应用之间存在差距、工程挑战、未来的研究方向和机遇。 该论文自 2024 年 12 月线上发表以来，现已被引用29 次（ Web of Science ）。
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2025年 06 月 ，国际TOP期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》发表了阳光净水课题组题为 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 综述论文。本文全面综述了用于废水中磷回收和去除的壳聚糖基吸附材料（CSMats）的性质、改性方法、影响因素。同时，总结了CSMats吸附去除水体磷的主要作用机理（氢键、静电作用、路易斯酸碱相互作用、配体/离子交换和表面沉淀作用）。此外，还归纳了CSMats的再生方法、连续流处理和在实际废水中应用。 最后，讨论了 CSMats除磷材料面临的挑战和未来发展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，2025年6月最新影响因子/中科院分区： 8. 50/ TOP 期刊。该论文自 2024 年1 月线上发表以来，现已被引用18 次（Web of Science ），2026年1月入选ESI高被引论文。
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2024 年 1 月，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊发表了阳光净水课题组题为 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的综述性论文。更清洁、更安全的环境是未来最重要的要求之一。与传统材料相比，壳聚糖具有丰富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和亲水性，是一种更环保的功能材料。由于壳聚糖分子链上丰富的 -NH2 和 -OH 基团可以有效地与各种金属离子螯合，壳聚糖基材料作为金属氧化物纳米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撑基质具有巨大的潜力。近年来，许多壳聚糖 / 金属氧化物纳米材料（ CS/MONM ）作为吸附剂、光催化剂、非均相类芬顿试剂和传感器，在环境修复和监测中具有潜在和实际的应用。本综述全面分析和总结了CS/MONMs复合材料的最新进展，这将为CS/MONMs复合材料的制备和废水处理应用提供丰富而有意义的信息，并有助于研究人员更好地了解CS/MONMs复合材料在环境修复与监测中的潜力。该论文自 2024 年 1 月线上发表以来，现已被引用68 次（ Web of Science ），国际引用占比65.0%。
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2024 年 2 月，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了阳光净水课题组题为 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的综述性论文。污染物检测和水净化对于实现环境保护和资源利用非常重要。构建新型功能材料去除各种污染物也变得越来越重要和紧迫。本综述总结了磁性壳聚糖（M-CSbMs）的3种可靠制备策略（原位策略、两步策略和沉积后策略），并详细介绍了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金属离子、有机染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低浓度污染物等方面的研究进展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面临的挑战和前景，以期促进其在水净化和固相萃取污染物方面的实际应用。该论文自 2024 年 2 月发表以来，现已被引用 48 次（ Web of Science ）。
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