论文简介
浙江农林大学孙庆丰、朱文凯，河南城建学院王超海，昆士兰大学Yusuke Yamauchi等联合在Adv. Mater.上发表了题为“Nanoarchitectonics of metal-organic frameworks and nanocellulose composites for multifunctional environmental remediation”的文章（DOI：10.1002/adma.202504364）。该论文全面综述了纳米架构的金属有机骨架（MOFs）-纳米纤维素（NC）复合材料在环境修复领域中的最新研究进展，包括染料吸附与降解、药物去除、重金属离子捕获、挥发性有机物（VOCs）吸附与降解、CO2捕获与分离、固体颗粒物（PM）分离等方面的研究进展。此外，还系统梳理了多尺度MOFs-NC复合材料的最新构筑策略及设计思路。最后，详细介绍了多维MOFs-NC复合材料的结构-性能-功能关系，并强调了其在污染环境修复中的广泛应用、去除机理、挑战和未来前景。
图1. MOFs-NC复合材料在环境修复领域中的应用概述：材料来源、制备策略、宏观形态、不同环境修复领域中的广泛应用
MOFs-NC复合材料的研究进展
自1995年金属有机骨架（MOFs）的概念首次被提出，其高比表面积、可调的结构、丰富的作用机制等特点使其在环境修复领域展现了极大的应用潜力，但受限于其粉末状态，始终无法在实际应用中展开有效实践。鉴于此，将丰富且可持续的生物质纳米纤维素（NC）与MOFs通过不同的制备策略相结合可以弥补这些缺陷。最近MOFs-NC作为一种具有吸引力的复合材料，已经展现了一系列引人注目的性能，并且在环境修复、气体存储、催化剂等领域显示出巨大的应用潜力。
图2. MOFs-NC复合材料的发展历史
NC-MOFs复合材料的来源、类型和合成策略
NC来源于地球上产量丰富的可再生天然聚合物材料，归因于其优越的物理化学性质（如纳米级尺寸、高比表面积、良好的亲水性、生物可降解性、高抗拉强度和刚度等）而受到到广泛的关注。由于纤维素分子链的分层组装，从不同来源的原材料中可以提取不同类型的NC，包括CNC，CNF和BC。制备不同类型的NC常采用的方法各不相同，提取分离CNF和CNC的常用方法是机械法和化学法，而BC通常采用生物法制得。由于NC含有大量亲水性过强的羟基和分子间密集的氢键网络，使其具备高亲水性和易凝胶等缺点进而限制了对其的进一步应用。因此对NC进行改性（如化学接枝、物理吸附改性）可降低其亲水性并赋予其新性能，从而扩大NC的应用范围。目前常见的NC改性策略包括物理吸附、氧化、醚化、酯化改性、酰胺化、疏水、非共价表面改性和接枝共聚。
图3. NC的提取/合成及结构特点
MOFs是由不同种类的金属离子作为连接点，将不同类型的有机配体进行延伸扩大形成框架网络。组成MOFs的次级结构单元是由配位基团与金属离子结合而形成小的结构单元，其在一定程度上决定了材料骨架的最终拓扑结构。这些因素使得制造的MOFs孔径可调、结构多样、开放位点多、易于改性、种类繁多、原料来源广以及基团数量巨大。到目前为止，采用溶剂热合成法、电化学合成法、微波合成法、机械化学合成法和超声合成法开发了大量的MOFs。其中适用于MOFs-NC复合材料的MOFs有ZIF系列、UiO类型、MIL系列等。
图4. MOFs的制备方法及晶体结构特点
MOFs-NC复合材料的制备策略
MOFs-NC复合材料的制备工艺决定了其最终性能和应用效果。目前主流的制备方法呈现出“双轨并行”的发展态势：原位生长法通过精确控制晶体成核过程，实现了MOFs在NC模板上的均匀分布，这种方法操作简便且能保持材料的高孔隙率。非原位混合法则更注重对材料结构的精细调控，通过物理或化学作用将预合成的MOFs与NC结合，为功能化设计提供了更大空间。值得关注的是，新兴的3D打印、自组装等技术正在打破传统制备方法的局限，使复合材料的结构设计更加灵活多样。这些创新方法不仅提升了材料的性能，也为其实际应用铺平了道路。
图5. MOFs-NC复合材料的制备策略
MOFs-NC复合材料的宏观形态
在不同的制备策略下，MOFs-NC复合材料催生出了丰富的宏观形态，这为其在环境修复领域的应用奠定了坚实的基础。在众多常见形态中，轻质多孔的气凝胶兼具高比表面积和优良的机械性能，能够精确捕获水体和空气中的污染物分子。化学交联而成的水凝胶兼具柔性和智能响应机制，能够适应可变环境下对去除过程的精确把控。微珠材料由于其特有的形貌和稳定的结构，在规模化方面展现了极高的发展潜力。膜材料特有的结构使其能够在水处理和空气净化中具有独特的过滤机制。这些形态上的差异不仅深刻影响着MOFs-NC复合物的性能机理，也极大地改变其在投入实际应用时的工作方式。通过不同形态的组合与优化，材料可针对特定的环境问题提供更高效、可持续的解决方案。
图6. MOFs-NC复合材料的宏观形态
MOFs-NC复合材料在环境修复领域的应用
MOFs-NC复合材料在染料、药物、重金属、颗粒物、气体（CO2和VOCs）等多种环境修复领域均展现出丰富的应用潜力。在污水处理方面，出色的吸附和催化性能使MOFs-NC复合材料能够高效去除水中的染料、药物分子和重金属离子。在气体净化领域，通过精确调控材料的孔径和表面化学性质，材料实现了对VOCs和温室气体的选择性捕获。针对空气中不同尺寸的颗粒物，复合材料有效结合物理拦截与化学吸附，显著提升了空气中颗粒物的去除效率。除此之外，MOFs-NC复合材料在油水分离、电磁波屏蔽等领域也展现了极好的应用前景。这些材料大多具有良好的可再生性，通过简单的物理或化学处理即可恢复活性，大大降低了使用成本。这种“高效治理+可持续运行”的特点，使其在实际应用中具有显著优势。
图7. MOFs-NC复合材料在环境修复领域的应用
总结与展望
文章系统归纳并分析了不同制备策略下合成的多形态MOFs-NC复合材料在多种修复领域中的研究现状和应用潜力。相比纯NC和纯MOF，MOFs-NC复合材料在结构、性能、应用等方面都展现更加优越的优势，但研究依然处于初级阶段，在实际应用中依然存在诸多挑战。要实现更有效的应用，还需要建立更完善的构效关系理论，以指导材料的精准设计，开发更环保的规模化制备工艺，进行更适用于实际环境中的稳定性研究等。值得期待的是，随着人工智能和计算模拟技术的发展，材料研发正在从“试错法”向“精准设计”转变。未来，通过多学科交叉融合，MOFs-NC复合材料有望在环境修复领域发挥更大作用，为生态文明建设提供强有力的技术支撑。
图8. MOFs-NC复合材料在环境修复中的应用前景
资讯来源：微信公众号”Environmental Advanceds“推文《浙江农林大学朱文凯/河南城建学院王超海等AM：MOFs纤维素复合材料在环境修复领域的应用》
阅读推文
阅读原文
