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陈朝吉教授领导的“武汉大学生物质工程与可持续利用实验室（X-Biomass Lab）”聚焦生物质资源，特别是农林废弃生物质资源的绿色低碳转化与高值利用，以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。近日，实验室在生物质基功能材料及环境微塑料治理、能源储存等领域取得一系列突破，相继在Nature Water（《自然·水》）、Nature Communications（《自然·通讯》）、National Science Review（《国家科学评论》）、Advanced Materials（《先进材料》）发表。
1. Nature Water：仿生多功能集成磁性吸附剂，助力无标记微纳塑料一体化“捕集-检测-分析”
每年数亿吨塑料垃圾经风化破碎后产生微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）。相较于MPs，NPs因粒径极小且比表面积高，更易吸附有害物质并进入细胞，生态与健康风险严峻。然而，传统水处理对<100 μm的塑料去除效果有限，纳滤技术易堵塞。现有吸附剂多聚焦于微米级塑料，对超细NPs（<100 nm）的广谱去除研究匮乏，且普遍存在平衡时间长、依赖外源性标记检测的局限。同时，主流检测技术受限于衍射极限、需复杂预处理和专业设备，无法满足无标记NPs的快速现场分析需求。因此，开发兼具高效捕获与即时检测功能的集成平台迫在眉睫。
鉴于此，武汉大学陈朝吉教授团队与华中师范大学龚静鸣教授团队合作研发了一种多功能铜掺杂聚多巴胺功能化磁性二氧化硅吸附剂（Fe₃O₄@SiO₂@CP）。该材料集成了强大的界面粘附性、光热活性及类漆酶催化活性，可在3分钟内快速捕获从纳米到微米尺度的塑料颗粒，并能在温和条件下实现多次循环利用。尤为关键的是，该吸附剂利用其类漆酶催化活性，将吸附事件转化为比色信号，实现了对多种无标记纳米塑料（包括<100 nm的超细颗粒）的现场检测。结合机器学习方法，该平台还能高特异性地区分塑料的种类和浓度。理论计算表明，非共价相互作用主导了吸附过程。在实际应用中，该吸附剂在自然水源及日常塑料用品（如塑料杯、碗、茶包）浸出液中成功实现了低浓度纳米塑料的可靠捕获与检测。该策略以多功能集成设计，首次实现复杂水体无标记微纳塑料的便携式一体化“快速捕集-精准检测-智能分析”，无需复杂的标记及昂贵的检测分析设备，且对具有极低环境浓度微纳塑料的实际水体（包括天然水体和日常生活用水）仍有效，为微纳塑料的有效治理提供新的思路。相关研究成果近日以“Interfacial interaction-driven rapid capture and on-site analysis of nano- and microplastics enabled by multifunctional magnetic adsorbent”为题发表在最新一期《Nature Water》上。华中师范大学2021级博士研究生姚清锋和武汉大学博士后徐超为本文共同第一作者，武汉大学陈朝吉教授和华中师范大学龚静鸣教授为本文共同通讯作者。文章链接：//www.nature.com/articles/s44221-026-00610-3
图1. 仿生多功能集成磁性吸附剂赋能无标记微纳塑料的一体化“捕集-检测-分析”
2. Nature Communications：木质素双功能工程重构生物质，高效抗盐太阳能淡化新突破
全球淡水短缺问题日益严峻，太阳能驱动的界面蒸发技术凭借绿色、低成本、可再生的优势，成为海水淡化领域的研究热点。木质生物质作为天然的可再生高分子材料，凭借分层多孔结构、质轻浮水、各向异性导热等先天优势，成为制备太阳能蒸发器的理想基材。但现有木质基蒸发器始终受困于水管理低效、光热转换与可持续性难以兼顾的难题，如何突破这一瓶颈，成为科研人员的攻关重点。
针对上述挑战，武汉大学陈朝吉教授团队和北京林业大学袁同琦/沈晓骏教授团队跳出 “完全脱除木质素” 的传统思路，提出“部分保留 + 高值化回收”的木质素双功能工程策略，从组成与结构角度，重构木质生物质框架，既解决了水分管理与光热转换的核心问题，又实现了木质素的全量资源化利用，真正做到 “一举多得”，为木质生物质基太阳能蒸发技术的产业化提供了绿色、低成本、可规模化的全新解决方案。相关研究成果近日以“Reconstitution of woody biomass framework via dual-functional lignin engineering toward efficient and salt-resistant solar desalination”为题发表于综合性期刊《Nature Communications》。武汉大学陈朝吉教授、北京林业大学袁同琦教授和沈晓骏教授为论文共同通讯作者。文章链接：//www.nature.com/articles/s41467-026-70270-0
图2. 木质生物质基太阳能蒸发器的“木质素双功能重构”构筑策略与其内部“光-热-水协同管理”机制示意图
3. National Science Review：多谱学解析水分子微观环境，精细还原离子液体杂化水系电解液液相结构
自水系可充电池作为一种本征安全、经济的储能技术问世以来，如何突破其电解液电化学稳定窗口的局限便成为该领域的核心课题。具有里程碑意义的“盐包水”（WiS）策略的提出为这一难题提供了开创性解决方案。然而，传统WiS电解液的设计高度依赖具有高溶解度与优异稳定性的金属盐，像21 m LiTFSI和 (Li(TFSI)0.7(BETI)0.3⋅2H2O)这类突破性电解液的发现，往往带有一定的偶然性，甚至是“孤例式”的突破——它们并非从某一指导性理论直接推导而来，而是在大量尝试中偶然被“挖掘”出来的,导致这类电解液的发展较为受限。
基于此，武汉大学陈朝吉教授&余乐副研究员团队以水分子为切入点，通过多种谱学手段联用，建立了一套系统的实验解析流程，精细还原了离子液体杂化高浓盐水系电解液的微观液相结构，成功构建了这类极具应用前景的电解液的“结构-性质-性能”构效关系，为高性能水系电池电解液的设计提供了新思路。研究通过对5种常用锌盐与5种常见离子液体进行了系统筛选，发现每种锌盐均可找到至少一种对其具有良好溶解能力的离子液体，且水与含锌盐的离子液体溶液普遍互溶。当水含量较低时，所得体系即可归为“盐包水”（WiS）电解液范畴；即便锌盐不溶于离子液体，水的引入亦可能诱导形成均一溶液。本文将此类由水、锌盐和离子液体构成的均相体系命名为“盐/离子液体包水”[Wi(S/IL)]电解液。在由5种锌盐和5种离子液体形成的全部25个组合中，有16个具备形成Wi(S/IL)并用作水系锌离子电池电解液的潜力，证实了该策略的通用性。相关研究成果近日以“Experimentally tracing water molecules and mapping high-resolution liquid structure pictures for promising water-in-salt/ionic liquid electrolytes”为题发表于中国科学院院刊《National Science Review》，武汉大学陈朝吉教授和余乐副研究员为通讯作者，余乐副研究员和2023级博士生王思俊为第一作者。文章链接：//academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwag125/8509310
图3. 不同组分离子液体杂化高浓盐水系电解液微观液相结构的联合光谱分析
4. Advanced Materials：“分子积木”理念助力甲壳素基粘结剂的功能集成与定制
水系锌离子电池因其安全性高、成本低、环境友好，被认为是大规模储能领域极具潜力的技术路线之一。然而，传统锌箔负极在厚度、成本和加工工艺上的局限，使其难以满足实际应用需求。相较而言，锌粉负极在容量调控与制造兼容性方面具有显著优势，但其在反复沉积/剥离过程中易发生体积变化剧烈、电极结构易失效等问题。作为连接活性物质与集流体的关键界面材料，粘结剂在调控电极力学性能、粘弹性及离子/电子传输行为中发挥着不可忽视的作用。现有商用粘结剂难以同时满足这些需求，限制了锌粉负极性能的进一步提升，亟需通过分子层级设计开发具备多重功能的新型粘结剂体系。
武汉大学陈朝吉教授&余乐副研究员团队提出一种功能导向的模块化分子设计理念（也即“分子积木”设计理念），以天然丰富、机械强度优异的甲壳素为骨架，采用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合方法，合成了一种甲壳素基刷状聚合物粘结剂（Chi-Binder），实现其多种功能模块的集成与定制：甲壳素骨架提供优异的机械强度和丰富的活性位点；苯环结构通过π-π堆叠与导电剂产生相互作用；离子液体基团赋予材料自修复能力和强黏附性；丙烯酸单元能够提升材料的力学柔韧性并促进Zn²⁺的配位传输（图4）。采用该粘结剂制备的锌粉负极在机械稳定性、电化学循环寿命以及高电流密度运行能力方面均表现出明显提升，为高性能锌基电池的开发提供了新思路。相关论文以“Function-Oriented Modular Molecular Design of a Chitin-Derived Self-Healable Binder for Promising Zinc Powder Anodes”为题发表于《Advanced Materials》。武汉大学2023级硕士研究生曾宣淯和2023级博士研究生王志强为本文共同第一作者，通讯作者为武汉大学陈朝吉教授和余乐副研究员。文章链接：//advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519775
图4. 功能导向的模块化分子设计理念（也即“分子积木”设计理念）实现甲壳素基粘结剂的功能集成与定制
上述研究成果受到国家自然科学基金、武汉大学高层次引进人才启动资金等的资助。研究也得到武汉大学科研公共服务条件平台和资环学院分析测试平台的材料表征支撑。
更多信息见课题组网站：//biomass.amwnsrgw.com/index.htm
