水体中的重金属污染严重威胁环境与人类健康，然而现有治理技术普遍存在结构复杂、成本高、效率低等问题。为了应对这一难题，美国佐治亚理工学院的童朝晖教授、四川大学邹海洋教授提出了一种仿生技术，引入了超积累植物系统概念，同时整合了吸附、检测及再生三大功能。2025年6月19日，相关成果“Regenerable triboelectric artificial hyperaccumulator for sustainable heavy- metals detection and remediation”在线发表于Matter期刊。论文通讯作者为童朝晖教授和邹海洋教授，第一作者是博士生林耕生和甘兰。

水中重金属污染对环境与人类健康构成严重威胁，然而现有的治理技术普遍面临结构复杂、成本高昂及效率不彰等问题。自然界中，超积累植物（hyperaccumulators）能有效从土壤或水体中吸收大量重金属，并经由反应与解毒机制将其累积于体内，同时维持生命功能稳定。受到这类植物的启发，研究组开发出一种可再生的人工超积累植物系统，结合纤维素基吸附膜与摩擦电膜感测技术（triboelectric membrane sensor, TEMS），实现对重金属的高效捕捉、灵敏侦测与污染程度的精准预测。

图1：人工超积累植物系统设计概念。

图1示意了人工超积累植物系统的核心设计理念，整合了吸附、检测及再生三大功能。系统设计分三步骤：首先，开发具有高效金属捕捉能力的吸附膜，并系统评估其吸附性能；其次，将吸附膜与摩擦电感测器结合，构建出能对多种重金属离子进行高灵敏检测的TEMS系统。此系统进一步结合动力学模型、吸附等温线及质量平衡分析，实现对金属离子的特异性辨识及初始浓度准确预测；最后，透过脱附－再吸附循环实验，验证TEMS在吸附与感测功能上的可重复使用性，确保系统整合流程的循环操作与可持续应用。

图2：吸附膜的制作与特性分析。

如图2所示，在吸附膜制作中，先对醋酸纤维素（CA）膜进行去乙酰化处理，将膜表面乙酰基转换为羟基，利于后续超支化聚乙烯亚胺（hPEI）接枝反应。去乙酰化膜（dCA）浸泡于hPEI溶液中，并以戊二醛作为交联剂，在50°C水浴中进行希夫碱反应（Schiff base reaction）。产品由SEM、EDS、FTIR及XPS表征，确认接枝反应成功。

图3：吸附膜的吸附性能。

图3可见，膜的吸附速率在初期快速提升，30分钟内达平衡。初期活性位点丰富，使金属离子易被吸附，随着Cu²⁺占据位点，吸附速率逐渐放缓。随初始金属浓度增加，吸附容量也随之上升。动力学分析结果显示吸附符合拟一级模型，说明吸附速率受溶液中Cu²⁺浓度影响。吸附符合Langmuir等温模型，拟合结果R²达0.99。在不同阳离子（Cu²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺等）与固定阴离子Cl^-的条件下测试，结果显示吸附膜对Cu²⁺展现最高吸附能力，显示其吸附选择性。此外，改变阴离子种类（Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-）对Cu²⁺吸附影响甚微，说明阴离子种类对吸附行为无显著影响。

图4：TEMS的摩擦电性能。

图4展示TEMS的摩擦电性能。Cu²⁺吸附后，膜输出电压明显高于未吸附膜。KPFM测得膜表面电位从-194 ± 34 mV提升至0.028 ± 0.044 mV，与电压提升趋势吻合。推测吸附重金属后膜电子数减少。比较不同阳离子（均为Cl^-配离子）时，TEMS对Cu²⁺的开路电压（V_oc）最高，显示其高灵敏度。此现象主要源于吸附膜对Cu²⁺的选择性吸附及金属离子间电负性差异。密度泛函理论（DFT）计算的PEI络合物静电位图显示，不同金属离子吸附导致输出电压不同。

图5：模型预测初始重金属元素浓度。

图5中表明吸附容量与V_oc间明显相关。结合吸附动力学、等温模型及质量平衡，可推导出初始浓度与摩擦电压函数关系，并以三维图展示。吸附初30分钟内，时间与电压均显著影响对初始浓度的计算；30分钟后电压为计算初始浓度的主要影响因素，符合吸附动力学观察。透过与未知浓度Cu²⁺溶液的ICP-OES测试比对，预测初始浓度与实测高度相关（Pearson相关係数0.999），误差平均仅5.14%。此方法具有高灵敏度与可靠性，不仅可监测吸附量，判定膜再生时机，更能推算水中金属初浓度，提升污染侦测准确性。

图6：TEMS的再生性能。

图6展示TEMS再生性能。在不同脱附方法的比较中，EDTA脱附效果优于HCl。10次吸附－脱附循环实验显示，Cu²⁺吸附容量仍维持82%以上；且前6次循环吸附性能稳定，摩擦电信号输出亦保持一致，证明系统具有优秀的再生及重复使用能力。

展望未来，此人工超积累植物系统在水质净化与环境监测领域具有巨大潜力。快速且精准的感测能力结合高效的去除性能，预期可广泛应用于废水处理、工业污水管理及便携式监测设备。随着材料设计与智慧监控整合的持续优化，该技术有望在资源有限的环境中快速部署，推动全球水资源安全与可持续发展。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102219