浙江大學帥亞俊團隊：廢棄蠶絲變身“仿木微通道海綿”！極速吸油+光催化凈水，一體化治理復雜污水

全球每年超產生的紡織廢水已超過百億噸，其中油污與可溶性有機染料往往共存，形成成分復雜的混合污水，成為當前水環境領域亟待攻克的難題。目前主流的復雜污水治理技術仍存在諸多局限：傳統材料如金屬網等物理分離材料僅能實現污染物的物理轉移，易飽和失效且無降解能力，極易引發二次污染；TiO2等納米粉體光催化氧化技術雖降解效率高，但存在回收困難、處理低濃度污染物效率低的致命缺陷；而現有3D多孔載體多依賴合成高分子，不可降解且會釋放微塑料，違背了綠色可持續的治理理念。因此，亟需開發綠色高效的一體化治理新材料。近年來，天然蠶絲蛋白因其綠色、低碳、生物安全的本質、以及原料可降解、來源可持續等特性為水處理材料的研究熱點。然而，傳統冷凍干燥法制備的絲素海綿存在孔道隨機曲折、流體傳輸慢、質地脆易破碎等問題，且很難在同一材料中同時實現高效的油水分離與穩定的光催化降解功能。

有趣的是，大自然早已給出了參考答案。樹木之所以能高效地將水分從根部輸送到樹冠，一個重要原因就在于其木質部中整齊排列的導管結構。受此啟發，浙江大學帥亞俊團隊以無法加工為高品質絲的廢棄蠶繭為核心原料，通過甘油的三重調控（增塑、界面相容、分子擁擠）結合定向冷凍鑄造技術，成功構筑出仿木結構的垂直定向微通道骨架，解決了純絲素海綿力學差、傳輸速度慢、無法有效吸附油污等難題。在此基礎上，團隊進一步構建了PDMS/TiO2納米分級涂層，使材料同時具備了超疏水選擇性吸附能力和高效光催化活性。實驗結果顯示，這種“仿木海綿”能夠在5秒內實現極速吸油飽和，同時對有機染料的降解效率高達98%，而且經過5次循環使用后，性能保留率仍超過90%。這項研究為復雜污水的一體化綠色治理提供了一種全新的解決方案。相關成果“Wood-inspired waste silk sponge with aligned microchannels for rapid oil sequestration and photocatalytic water purification”發表于國際權威期刊Separation and Purification Technology。論文共同第一作者為鄭美丹、孫宇旭。

【仿生設計與制備流程】

團隊仿生木材木質部垂直定向、低曲折度的流體傳輸通道，以廢棄蠶繭提取的絲素蛋白為原料，經甘油調控定向冷凍鑄造，構筑仿木層狀微通道骨架；再通過PDMS/TiO2分級涂層修飾，最終獲得兼具極速吸油與光催化凈水功能的復合海綿，實現從廢棄蠶絲到功能水處理材料的高值化轉化。

圖 1 仿木微通道廢棄蠶絲海綿的仿生設計與制備示意圖

【微觀形貌與力學性能】

純絲素海綿呈現規整層狀結構但孔壁脆弱，經甘油改性后，層狀結構形成互聯網絡，孔壁顯著增厚，力學性能大幅提升；經PDMS/TiO2涂層修飾后，海綿表面形成納米級褶皺，粗糙度顯著提高。甘油在體系中發揮增塑、分子擁擠、界面相容三重作用，讓脆弱的絲素骨架變為堅固耐用的仿生結構。

圖 2 絲素海綿的微觀形貌、力學性能與表面粗糙度表征

【化學組成與結構穩定性】

通過FTIR、XRD、Raman、XPS等表征證實，甘油調控促進絲素蛋白形成穩定的β-折疊結構，PDMS與TiO2成功負載于海綿骨架；熱重分析顯示，PDMS/TiO2涂層顯著提升海綿熱穩定性，材料結構與組分穩定性滿足實際使用需求。

圖 3 絲素復合海綿的化學組成與熱穩定性分析

【表面潤濕性與油水分離性能】

純絲素海綿呈親水性，經涂層修飾后變為超疏水超親油，水接觸角達144.1°，可精準排斥水、選擇性吸附油；材料可高效分離低密度浮油與高密度沉油，對環己烷等有機溶劑具備高吸附容量，實現不同密度油污的一站式分離處理。

圖 4 絲素海綿的潤濕性轉變與密度無關型油水分離性能

【極速吸附動力學與仿生傳輸機制】

得益于仿木定向微通道的毛細驅動效應，甘油改性復合海綿僅需5秒即可達到吸油飽和，吸附速度遠快于純絲素海綿；該結構完美復刻木材木質部的高效輸運原理，為油污的快速捕獲、富集提供核心結構支撐。

圖 5 絲素海綿的油吸附動力學與仿木流體傳輸機制

【光催化降解性能與協同機制】

模擬太陽光下，復合海綿3.5 h對羅丹明B降解率達79%；引入H2O2觸發光催化-芬頓協同反應，降解率提升至98%；5次循環后，材料吸附容量保留92%，TiO?涂層保留率98%，結構無坍塌。材料通過“捕獲-富集-原位降解”機制，實現油污吸附與有機染料降解的一體化。

圖 6 絲素復合海綿的光催化降解性能、循環穩定性與降解機制

總結與展望

本研究以廢棄蠶絲為綠色原料，通過木材仿生結構設計與多功能化修飾，研發出力學穩固、可降解的絲素蛋白復合海綿，成功整合極速油水分離與高效光催化降解雙功能，為油污-有機染料共存的復雜工業廢水治理提供了全新策略。

未來可進一步優化材料光催化效率與結構適配性，拓展其在海上溢油、紡織印染廢水、工業有機污水等場景的實際應用，同時推動廢棄生物質高值化轉化，助力低碳、可持續的水環境治理技術發展。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137861