随着经济的持续发展，污染问题日趋严峻。随着工业生产中重金属使用量的逐步增加，由此引发的污染问题也日益严重。重金属离子即使在痕量浓度下也表现出极强的生物毒性，对生态环境造成严重危害。其中，六价铬Cr(VI)作为典型的重金属污染物，广泛存在于冶金、电镀、制革等工业废水体系中。由于其具有高毒性、强迁移性、难降解性以及显著的生物累积效应，Cr(VI)不仅严重破坏水生生态系统平衡，更可通过食物链富集对人类健康构成重大威胁。因此，开发高效、灵敏的Cr(VI)检测与去除技术，对于工业废水治理和生态环境保护具有重要的现实意义。
近日，长春理工大学董相廷教授、邵红副教授和吉林化工学院李祥副教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Ambient-dried biomass 3D porous aerogel with “brick-mortar-binder” structure for the determination and adsorption of Cr(VI)”。研究者通过静电纺丝法、水热法和室温干燥技术制备了3D多孔生物质气凝胶（命名为CPCTA，如图1所示），其中接枝碳量子点的聚丙烯腈纳米纤维作为“砖”，柔性氧化纤维素和羧甲基壳聚糖作为“砂浆”，交联剂三嗪衍生物作为“粘结剂”，该气凝胶具有较小的体积收缩率，与冷冻干燥法制备的气凝胶相当。在最佳工作环境下，CPCTA对Cr(VI)具有良好的灵敏度和选择性，检测限低至1.12 μM，线性范围为5-50 μM；CPCTA-3对Cr(VI)最大吸附量为166.25 mg/g。本研究在功能化生物质气凝胶材料的开发与应用方面具有重要的理论和实践意义，为构建环保、可持续、低能耗的功能生物质气凝胶提供了新的思路和方法。
长春理工大学在读硕士研究生李吉为该项目研究成果的第一作者，董相廷教授、邵红副教授和李祥副教授为论文共同通讯作者。
图1：3D生物质气凝胶——CPCTA的制备及相应性能。
CPCTA室温干燥的过程如图2所示，通过负载碳量子点的PAN纳米纤维长链(CP)和溶剂交换的方式增强骨架结构以及降低表面张力，防止了气凝胶在干燥过程中的结构塌陷。
图2：生物质气凝胶——CPCTA的室温干燥机制示意图。
如图3所示，对CPCTA中CP的含量进行调节，以提升生物质气凝胶的机械性能。由压缩前后的SEM图像可进一步推测，CP-3通过物理缠绕作用和氢键相互作用与气凝胶基质形成稳定的三维网络结构，从而显著提升了CPCTA的机械性能。
图3：(a) 不同样品在60%应变下不同时间循环后的应力对比图; (b) CPCTA-3的循环应力-应变曲线; (c)不同CP-3含量气凝胶的示意图和(I、II和III) SEM图像; (d)增韧机制示意图。
如图4所示，CPCTA-3对Cr(VI)具有良好的荧光响应，随着Cr(VI)浓度增加，CPCTA-3荧光强度逐渐降低。此外，CPCTA-3还具有良好的选择性和抗干扰能力，验证了CPCTA-3在实际水环境Cr(VI)检测中的可行性与应用潜力。
图4： (a) 添加Cr(VI)后CPCTA-3的荧光光谱图; (b) I0/I与Cr(VI)浓度的关系图; (c) 在不同金属离子存在下CPCTA-3荧光强度的相对变化比; (d) CPCTA-3检测实际水样的荧光光谱图。
如图5所示，CPCTA-3对Cr(VI)具有明显的吸附效果。通过对动力学模型以及等温线模型的拟合，CPCTA-3对Cr(VI)最大吸附量为166.25 mg/g，与此同时CPCTA-3具有良好的回收性和可重复使用性。
图5：(a) CPCTA-3对Cr(VI)的吸附前后实物照片; (b-h) CPCTA-3对Cr(VI)的吸附行为动力学及等温线模型拟合结果 (i) CPCTA-3在5个连续吸附解吸循环中对Cr(VI)的吸附。
这种常压干燥生物质气凝胶在环境保护、节能工程、吸附分离、检测传感等领域展现出广阔的应用前景，同时为生物质气凝胶的大规模制备提供了新的技术路径。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161359
人物简介：
董相廷，长春理工大学化学与环境工程学院，教授，博士，博士生导师。从事纳米材料与技术研究，主要研究方向为：电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米结构材料与特性研究；电纺技术构筑稀土化合物一维纳米材料与发光性能研究；电纺、水热与溶剂热等及其结合技术构筑低维纳米材料与表征，并将所构筑的低维纳米材料应用于光催化分解有机污染物、光催化分解水制氢、电催化析氢和析氧、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器和气体传感器中。以第1名获吉林省技术发明一等奖1项、技术发明二等奖1项、自然科学二等奖1项；以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interfaces, Compos. Sci. Technol., Sensor Actuat B: Chem, J. Mater. Chem. C, Nanoscale等国际重要期刊发表论文500余篇；获授权国家发明专利100余件；研究成果引起领域内同行的高度关注。
邵红，长春理工大学化学与环境工程学院副教授，硕士生导师，吉林省高层次人才（D类）。2020年于东北师范大学物理学院获工学博士学位，现研究方向为新型功能材料的开发。先后主持/参与国家自然科学基金、吉林省科技厅等课题10余项。以第一作者或通讯作者在Chem. Eng. J., Small, Sens. Actuators B Chem., ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Mater. Chem. C等国际重要期刊发表论文20余篇。
李祥，吉林化工学院石油化工学院副教授，博士，硕士生导师。吉林省企业“科创专员（科创副总）”、吉林市应急管理局特聘安全管理专家。从事纳米材料与技术研究，具体研究方向为：采用电纺、冷冻干燥、水热与溶剂热等方法构筑天然多糖基气凝胶与纳米微球，并将其应用于光催化及电催化领域。荣获吉林省科学技术进步二等奖；主持/参与国家自然科学基金、吉林省科技厅、吉林省教育厅等科研课题10余项。以第一/通讯作者在Chem. Eng. J., Int. J. Biol. Macromol., Colloid Surface A, J. Solid State Chem.等国际重要期刊发表论文10余篇。
