本研究展示了可回收的纳米纤维素/壳聚糖气凝胶，其中嵌入了由甘蔗渣绿色合成的银纳米颗粒。优化后的复合材料具有均衡的多功能性，可实现强效的抗菌活性、高效的4-硝基苯酚催化还原，并增强染料和重金属的吸附能力，同时实现银离子的高度可控释放。
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摘要
摘要
源自废弃物的纳米纤维素气凝胶为将木质纤维素残渣转化为功能性多孔材料提供了一条可持续的途径，但如何平衡其抗菌活性、催化性能、吸附能力以及银离子释放控制仍具挑战性。本研究以甘蔗渣为生物质原料，通过碱处理、过氧化氢漂白、高压均质化和超声处理制备出源自废弃物的纳米纤维素。将纳米纤维素与壳聚糖复合，经冷冻和冷冻干燥形成多孔气凝胶，随后使用标准化绿茶提取物作为还原介质，原位绿色负载银纳米颗粒。优化后的 Ag-WNC/CS-A-3 气凝胶保持了高孔隙率、改善的机械稳定性，比表面积（BET）达 66.4 ± 5.2 m²/g。该材料对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）表现出强效抗菌活性，可高效还原 4-硝基苯酚，表观速率常数为 0.184 ± 0.017 min⁻¹，并对亚甲基蓝和 Pb(II) 具有增强的吸附能力，平衡吸附容量分别为 118.7 ± 7.1 mg/g 和 72.4 ± 6.3 mg/g。尽管较高的银负载量略微提升了抗菌和催化性能，但会降低吸附平衡性并增加银的释放。总体而言，Ag-WNC/CS-A-3 在结构完整性、多功能活性、重复使用稳定性以及银释放控制方面实现了最佳平衡。本研究为可回收生物基气凝胶在抗菌、催化及水处理应用中的可持续设计策略提供了支持。
引言
将农业废弃物转化为功能性材料已成为可持续材料科学的重要研究方向。甘蔗渣尤其具有吸引力，因为在制糖和榨汁过程中会产生大量甘蔗渣，且其含有高比例的纤维素，可回收用于高附加值的应用。近期研究强调，甘蔗渣是一种低成本且环境相关的生物质资源，但高效的纤维素提取、功能化处理以及可规模化纳米结构的制备仍是关键的技术挑战1。这使得源自甘蔗渣的纳米纤维素成为开发多孔材料的理想平台，兼具废弃物高值化利用与环境功能化的双重优势。
由于具有可再生来源、纳米级纤维结构、丰富的羟基以及高表面可修饰性，纳米纤维素在水处理和环境应用领域受到越来越多的关注。最近的一篇综述总结指出，基于纳米纤维素的材料可被加工成粉末、薄膜、膜、水凝胶、气凝胶和三维物体，用于去除水中的染料、重金属、药物、农药、微生物细胞及其他污染物2。在这些形态中，气凝胶尤其具有前景，因其兼具低密度、高孔隙率、大的可及表面积以及使用后易于回收等优点。
纳米纤维素气凝胶的制备通常包括纳米纤维素的制备、凝胶形成、溶剂置换或直接冷冻以及干燥。这些步骤使纳米纤维素纤丝组装成三维多孔网络结构3。由于其开放的孔隙结构有利于传质，且表面官能团可为污染物提供相互作用位点，此类气凝胶已被广泛用于染料、重金属离子、抗生素、有机溶剂及油水混合物的吸附。然而，仅由纳米纤维素构成的气凝胶通常存在湿态稳定性差、机械强度有限以及多功能性不足等问题，限制了其实际应用。
为了克服这些局限性，基于纤维素和壳聚糖的复合气凝胶引起了关注。壳聚糖含有氨基和羟基，可通过氢键与纤维素相互作用，还可能为金属离子和有机污染物提供额外的结合位点。来源于纤维素和壳聚糖的生物基气凝胶被视为一种新兴的水处理材料，因其具有低密度、高比表面积、多孔结构以及可调控的表面化学特性，能够支持吸附作用并实现重复利用4。在纳米纤维素气凝胶中，壳聚糖不仅可作为结构增强组分，还可作为一种功能性聚合物，提升对污染物的结合能力及抗菌性能。
除了吸附性能外，多功能气凝胶还被期望提供催化和抗菌功能。这对于可能同时遇到化学污染物和微生物污染的水处理材料尤为重要。银纳米颗粒因其抗菌和催化特性而被广泛应用于功能材料中。当负载在纤维素基载体上时，与未负载的纳米颗粒相比，银纳米颗粒更易于回收，并可能表现出更优的分散性5。已有研究报道，通过绿色合成法制备的纳米银/纤维素气凝胶可作为硝基苯酚氢化的可回收催化剂，表明纤维素气凝胶可作为银基催化体系的稳定载体6。
绿色合成策略同样重要，因为传统的纳米颗粒合成可能涉及强还原剂或稳定剂，这会削弱基于生物质材料的环境优势。富含多酚的植物提取物可将 Ag⁺ 还原为银纳米颗粒，同时在颗粒形成过程中起到稳定作用。绿茶提取物已被用于银纳米颗粒的合成，因其酚类化合物可同时作为还原剂和封端剂7。然而，基于提取物的合成也会引入批次间的变异性，因此当该方法需要具备可重复性时，必须对提取物进行标准化处理。
尽管取得了这些进展，仍存在若干空白。首先，许多研究集中于单一功能，例如染料吸附、重金属去除、抗菌活性或4-硝基苯酚还原，而非评估这些功能如何在一种可回收的气凝胶体系中实现平衡。其次，较高的银（Ag）负载量通常与更强的抗菌或催化活性相关，但过量的银可能堵塞孔隙、降低吸附能力、增加释放量，并削弱材料的可持续性。第三，吸附性能通常在单一污染物溶液中进行评估，而共存离子和更复杂的水质基质可能显著影响实际性能8。这些问题表明，多功能气凝胶的设计应超越最大活性的追求，转而考虑结构与功能之间的平衡。
与先前报道的纤维素/壳聚糖/银气凝胶相比，本体系具有四个相互关联的设计特点：纤维素支架由甘蔗渣废弃物制备；银纳米粒子（AgNP）的形成步骤采用标准化的绿茶提取物，而非成分未明确的植物提取物批次；通过比较三种银前驱体添加水平，以确定性能的平衡点，而非追求最大载银量的配方；同时评估了抗菌活性、4-硝基苯酚催化、染料/重金属吸附、再生能力、基质耐受性以及银的释放行为。这种基于比较的设计表明，其新颖性在于纤维素、壳聚糖与银之间结构-性能-功能的综合平衡，而不仅仅在于三者的简单组合。
因此，本研究利用甘蔗渣作为纤维素来源，并采用标准化绿茶提取物进行原位负载银纳米颗粒（AgNP），开发了一种废料来源的纳米纤维素（WNC）/壳聚糖（CS）/银纳米颗粒（AgNP）气凝胶。通过多种表征手段对气凝胶进行了评估，包括透射电子显微镜（TEM）、配备能谱仪的扫描电子显微镜（SEM/EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积分析、热重分析（TGA）以及力学性能测试。功能性能评估包括基于菌落形成单位（CFU）的抗菌实验（针对Escherichia coli和Staphylococcus aureus）、4-硝基苯酚的催化还原、亚甲基蓝和Pb(II)的吸附、再生性能测试、共存离子干扰、模拟废水处理以及银释放分析。该设计基于近期关于纤维素和纳米纤维素基气凝胶在污染物去除方面潜力的研究，同时进一步解决了多功能性能评估和银释放控制的需求9。
核心假设是，中等银载量水平相比低或过高的银载量能够提供更均衡的配方。在此设计中，纳米纤维素提供多孔支架，壳聚糖增强结构并提供吸附位点，而银纳米粒子（AgNPs）则引入抗菌和催化活性。近期关于基于纤维素的银复合气凝胶的研究表明，银的引入可提升抗菌和催化功能，但支撑基质及银的释放行为仍对实际性能至关重要10。因此，本研究比较了三种银载量水平，以确定在孔隙率、机械稳定性、抗菌活性、催化效率、吸附能力、可重复使用性以及银释放控制之间达到最佳平衡的配方。
本研究的更广泛意义在于将废弃物资源化与多功能水处理材料设计相结合。近期关于纤维素基气凝胶和生物质基气凝胶的综述已强调了它们在吸附、催化、油水分离、隔热以及生物医学应用中的潜力，同时也指出了在制备过程中对更绿色环保的方法、更好的可扩展性、再生稳定性及环境安全性的迫切需求11,12。本研究通过将废弃物来源的纳米纤维素制备与壳聚糖增强、绿色银纳米粒子（AgNP）负载以及多模式性能评估相结合，为开发可用于抗菌、催化和吸附应用的可回收生物基气凝胶提供了一个切实可行的框架。
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方案
材料与实验设计
甘蔗渣被用作制备纳米纤维素的木质纤维素类废弃物来源。新鲜的甘蔗渣依次用自来水和去离子水清洗，于60 °C下干燥24 h，切割成1–2 cm的碎片，研磨后过40目筛。干燥后的粉末储存于含硅胶的密封聚乙烯袋中，在室温下保存，并在1个月内使用。本研究中使用的所有试剂、材料和设备均列于材料表文件中。
除非另有说明，所有化学品均为分析纯级，直接使用。氢氧化钠、过氧化氢、乙酸、硝酸银、硼氢化钠、4-硝基苯酚、亚甲基蓝、硝酸铅、盐酸、硝酸、氯化钠、氯化钙、氯化镁、乙醇、福林-酚试剂、碳酸钠和没食子酸用于预处理、银负载、催化性能测试、吸附、再生及分析校准。硝酸银（ACS试剂，≥99.0%）、硼氢化钠（≥98.0%）、福林-酚试剂（1.9–2.1 N）和没食子酸的标准规格列于材料表中。脱乙酰度为85%–90%的壳聚糖用作第二种生物聚合物。采用绿茶叶片制备水相还原提取液，用于银纳米颗粒的形成，因为茶多酚在AgNP合成过程中可作为还原剂和稳定剂13。整体实验流程包括纤维素提取、纳米纤维素制备、气凝胶制备、银纳米颗粒负载、结构表征和功能测试，如图1所示。样品组成和制备参数列于表1中。
甘蔗渣经过洗涤、干燥、研磨、碱处理和过氧化氢漂白等预处理步骤，获得富含纤维素的纸浆。该纸浆通过高压均质化和超声处理转化为源自废弃物的纳米纤维素，再与壳聚糖复合，经冷冻和冷冻干燥制备成纳米纤维素/壳聚糖气凝胶。随后负载银纳米颗粒 原位 使用 AgNO₃ 和标准化绿茶提取物作为还原介质。通过多模态结构、化学、热学和力学表征对所得气凝胶进行评估，随后进行抗菌、催化、吸附、再生及银释放性能测试。最终选定 Ag-WNC/CS-A-3 作为优化的多功能气凝胶配方。
纤维素富集纸浆的制备
将干燥的蔗渣粉末以1:20 g/mL的固液比与4 wt%的NaOH溶液处理。在500 rpm搅拌条件下，将混合物于80 °C加热3 h。处理后的纤维经过滤，并用去离子水洗涤至滤液pH达到7.0 ± 0.2，随后在60 °C下干燥12 h。
将碱处理后的纤维用3 wt% H₂O₂在pH 11.0 ± 0.2、80 °C条件下漂白2小时，漂白过程重复两次。所得富含纤维素的浆料用去离子水洗涤至中性，并在4 °C下储存不超过7天。通过重量法组成分析测定纤维素、半纤维素、木质素和灰分含量，以确认非纤维素组分的去除14。
纸浆得率计算公式如下：
(1)
废弃资源衍生纳米纤维素的制备
将相当于5.0 g干重的湿纤维素浆分散于500 mL去离子水中，并在10,000 rpm下预均质10 min。随后通过高压均质处理悬浮液：在300 bar下均质2次，600 bar下均质3次，900 bar下均质5次。使用冰水循环系统将出口温度维持在35 °C以下。
将均质后的悬浮液在脉冲模式下以400 W超声处理10分钟，工作3秒，间歇3秒。超声过程中将容器置于冰浴中。最终悬浮液稀释至1.0 wt%，并在4 °C下保存。若悬浮液在24小时后出现可见的沉淀或相分离，则予以弃用。只有当透射电子显微镜（TEM）测得的纤维平均直径低于50 nm，且绝对zeta电位超过25 mV时，纳米纤维素的制备才被视为合格。
纳米纤维素产率的计算公式如下：
(2)
绿茶提取物的制备与标准化
将5.0 g绿茶粉加入100 mL去离子水中，在80 °C下加热30 min。将提取液冷却后，用Whatman No. 1滤纸过滤，再在约7,500 × g条件下离心10 min（相当于转子半径为10.5 cm时约8,000 rpm），随后通过0.45 µm滤膜过滤，并在4 °C下保存不超过48 h。
采用福林-酚法测定总酚含量。简言之，将0.5 mL稀释后的提取物与2.5 mL稀释的福林-酚试剂和2.0 mL 7.5 wt%的碳酸钠混合。避光孵育30分钟后，在765 nm处测定吸光度。以没食子酸作为标准品。仅使用总酚含量在批次均值±10%范围内的提取物批次进行AgNP还原。
纳米纤维素/壳聚糖气凝胶的制备
将壳聚糖溶于1.0 vol%乙酸中，配制1.0 wt%溶液，并搅拌过夜。使用前经100 µm尼龙筛网过滤。
制备WNC/CS-A时，将80 mL的1.0 wt%纳米纤维素悬浮液与20 mL的1.0 wt%壳聚糖溶液在600 rpm下混合。使用0.1 M NaOH以低于0.5 mL/min的速率逐滴调节pH至5.5 ± 0.2。若在30分钟内出现可见的絮凝或相分离现象，则弃去该混合物。
将5.0 mL固定体积的分散液倒入内径为20 mm、高度为20 mm的圆柱形聚丙烯模具中。样品在-80 °C下冷冻12 h，然后在腔室压力低于20 Pa的条件下于-55 °C下冷冻干燥48 h。采用冷冻干燥法在气凝胶形成过程中保持纳米纤维素多孔网络结构15。WNC-A采用相同步骤制备，但不添加壳聚糖。仅当干燥后的气凝胶保持整体结构且高度收缩率低于20%时，方可被接受。
原位绿色负载银纳米颗粒
将干燥的WNC/CS-A整块材料浸入30 mL浓度为1、3或5 mM的AgNO₃溶液中，在避光条件下反应6小时。随后将气凝胶转移至30 mL标准绿茶提取物中，在50 °C下避光反应4小时。还原反应完成后，样品用去离子水洗涤五次，于-80 °C冷冻6小时，并在-55 °C下冷冻干燥36小时。最终样品分别标记为Ag-WNC/CS-A-1、Ag-WNC/CS-A-3和Ag-WNC/CS-A-5。与未负载的AgNP体系相比，将银固定在纤维素气凝胶中可提高催化剂的回收率，并减少纳米颗粒的损失16。
采用电感耦合等离子体-原子发射光谱法（ICP-OES）定量测定银的负载量。取约20 mg负载银的气凝胶，用稀硝酸在80 °C下消解，定容至50 mL，利用0.01–5.0 mg/L的银标准曲线进行分析。银负载效率按以下公式计算：
(3)
用于评估产率、试剂使用、银负载量、银释放量及重复使用性的绿色工艺指标总结于表2中。
密度、孔隙率、吸水率与尺寸稳定性
气凝胶的密度通过干质量和几何体积计算得出。样品在60 °C下干燥6小时，在干燥器中冷却，并在三个位置使用数字卡尺进行测量。
(4)
孔隙率估算公式为：
(5)
其中，纤维素类固体的 ρs 取为 1.50 g/cm3。
通过将干燥的气凝胶浸入去离子水中24小时来测量吸水率。样品用滤纸吸除表面水分10秒后立即称重。
(6)
其中 Ws 和 Wd 分别为湿态和干态气溶胶的重量。通过比较浸入前后单体的高度和直径来评估其尺寸稳定性。每组至少测试五个单体。
形态学与孔隙结构表征
采用透射电子显微镜（TEM）观察纳米纤维素的形貌。将0.005 wt%的悬浮液滴加到覆有碳膜的铜网上，用1 wt%磷钨酸染色60秒，干燥后在80–120 kV下进行成像。使用ImageJ 1.54版软件，从三个独立制备的悬浮液中各测量至少100根纤维。
采用扫描电子显微镜（SEM）观察气凝胶的形貌。样品在液氮中脆断后，固定于铝制载台上，溅射镀金60秒，于5–10 kV电压下进行成像。每一样品至少记录五个视野。通过EDS mapping分析银（Ag）、碳（C）、氧（O）和氮（N）的分布情况。
在77 K下进行氮气吸附-脱附分析。样品在分析前于60 °C下脱气12小时。由于孔道可及性直接影响纤维素气凝胶的吸附和催化性能，因此计算了BET比表面积和Barrett-Joyner-Halenda（BJH）孔径分布17。
FTIR、XRD、XPS 和 TGA 分析
采用ATR模式采集FTIR光谱，范围为4000 cm-1至500 cm-1，分辨率为4 cm-1，每个样品扫描32次。光谱经基线校正，并归一化至纤维素C-O-C键在1050 cm-1附近的吸收峰。利用FTIR评估与纤维素和壳聚糖相关的官能团；银（Ag）的形成通过XRD、XPS、EDS和ICP-OES确认。
采用 Cu K-α 辐射（40 kV，40 mA）进行 X 射线衍射（XRD）分析。样品扫描范围为 5° 至 80°，扫描速率为 5°/min。纤维素结晶度指数通过 Segal 法计算。仅当在约 38.1°、44.3° 和 64.4° 处检测到衍射峰时，才认定存在结晶态金属银（Ag）；银的形成需结合 X 射线光电子能谱（XPS）、能谱仪（EDS）元素分布图以及电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）结果进行综合判断，而非仅依据 XRD 结果。
采用X射线光电子能谱（XPS）测定表面元素组成。全谱扫描范围为0 eV至1200 eV，对C 1s、O 1s、N 1s和Ag 3d进行高分辨率谱图采集。结合能以C 1s峰284.8 eV为基准进行校准。峰拟合分析使用CasaXPS软件（版本2.3.25）完成。Ag 3d的拟合结果作为表面银物种的辅助证据；由于未包含俄歇参数分析，对金属态Ag⁰与氧化态银物种的相对贡献需谨慎解释。
热重分析（TGA）在氮气氛围下进行，温度范围为30 °C至700 °C，升温速率为10 °C/min。每次实验使用约5–8 mg干燥样品。记录起始降解温度、最大降解温度以及700 °C时的残余质量。
力学测试
使用配备100 N载荷传感器的万能试验机进行压缩测试。将直径20 mm、高度20 mm的圆柱形样品以2 mm/min的速度压缩至50%应变，计算50%应变时的抗压应力以及10%应变以下的杨氏模量。
在50%应变下进行五次加载-卸载循环的周期性压缩。每次循环后的形状恢复率通过恢复高度计算得出。每组至少测试五个样本。在应变达到20%之前出现滑移、边缘撕裂或可见缺陷的样品被排除。机械测试用于评估材料在浸入、回收和重复使用过程中的操作稳定性18。
抗菌活性测定
抗菌活性针对Escherichia coli和Staphylococcus aureus进行评估。细菌在37 °C下于Luria-Bertani（LB）液体培养基中培养过夜，稀释至约1 × 106 CFU/mL，并通过平板计数法验证浓度。
将直径为10 mm、厚度为3 mm的气凝胶圆片在两侧各用紫外照射灭菌30分钟。通过将处理后的气凝胶在LB肉汤中37 °C培养24小时，以确认其无菌状态。
对于接触杀菌实验，将无菌的气凝胶圆片置于2 mL细菌悬液中，在37 °C、120 rpm振荡条件下孵育4小时。将菌悬液进行连续稀释，涂布于LB琼脂平板，并在37 °C下培养24小时。细菌减少率按以下公式计算：
(7)
对照组包括仅含磷酸盐缓冲液（PBS）、无菌滤纸片、WNC-A、WNC/CS-A、AgNO₃ 溶液（其银浓度相当于从 Ag-WNC/CS-A-3 测得的释放量）以及市售抗生素纸片。
进行抑菌圈实验时，将气凝胶圆片置于涂布了100 µL细菌悬液的琼脂平板上。平板在37 °C下孵育24小时，测量抑菌圈直径。每次实验使用三个独立制备的气凝胶批次，并进行技术重复三次。采用接触杀菌实验和抑菌圈实验，是因为表面接触和释放的银物种可能对抑菌活性具有不同的贡献19。
4-硝基苯酚的催化还原
通过4-硝基苯酚还原为4-氨基苯酚的反应评价催化活性。将0.10 mM的4-硝基苯酚溶液与新配制的NaBH₄混合，使NaBH₄的终浓度达到10 mM。NaBH₄在配制后30分钟内使用。反应过程避免直接光照。
在室温下，将 10.0 mg ± 0.5 mg 的气凝胶样品加入到 10 mL 反应溶液中。每隔 1 分钟，用紫外-可见分光光度法在 250 nm 至 500 nm 范围内测定 1 mL 等分试样，并将其返回至反应容器中。采用 400 nm 处的吸光度监测转化情况。
对照组包括无气凝胶的反应、WNC-A、WNC/CS-A，以及不含 NaBH₄ 的平行吸附对照，以区分对 4-硝基苯酚的催化还原与吸附作用。不含 NaBH₄ 的吸附对照被视为物理去除的空白对照；只有含 NaBH₄ 体系中额外的浓度降低才被解释为催化转化。准一级反应速率常数按以下公式计算：
转化率的计算公式如下：
(8)
选择对硝基苯酚还原实验，是因为它是一种标准的可通过紫外-可见光谱追踪的反应，用于评估负载型银催化剂20。
催化剂的可重复使用性
Ag-WNC/CS-A-3 被重复用于五次催化循环。每次循环后，将气凝胶取出，用去离子水洗涤三次，浸入去离子水中 10 分钟，随后在 −55 °C 下冷冻干燥 12 小时。记录每次循环在 15 分钟时的转化率及 kapp 值。
(9)
经过五个循环后，采用扫描电镜（SEM）和电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）对使用过的气凝胶进行分析，以评估其结构保持性及银的流失情况。
亚甲蓝吸附
采用亚甲基蓝作为模型阳离子染料。将 20.0 mg ± 0.5 mg 的干燥气凝胶加入 50 mL 浓度为 50 mg/L、pH 为 7.0 ± 0.2 的亚甲基蓝（MB）溶液中。混合物在 150 rpm 和 25 ± 1 °C 条件下振荡反应。
在5、10、20、30、60、90、120和180分钟时，分别取1 mL样品，经0.22 µm滤膜过滤后，在664 nm处测定吸光度。亚甲基蓝浓度通过1至50 mg/L范围内的标准曲线计算，R2 ≥ 0.995。
(10)
动力学数据采用准一级和准二级动力学模型进行拟合。模型选择依据包括R2值、计算所得与实验测得的q_e值之间的一致性，以及残差分布情况。选择亚甲基蓝（MB）是因为纳米纤维素气凝胶通常通过静电相互作用、氢键作用以及多孔网络扩散机制来评估其对染料的去除能力21。
Pb(II) 吸附
使用硝酸铅溶液测试 Pb(II) 的吸附性能。使用前将 1000 mg/L 的储备溶液进行稀释。取干燥的气凝胶 20.0 mg ± 0.5 mg，加入到 50 mL 浓度为 50 mg/L、pH 为 5.5 ± 0.2 的 Pb(II) 溶液中。混合物在 150 rpm、25 °C ± 1 °C 条件下振荡反应 180 分钟。
取等分试样通过0.22 µm滤膜过滤，用1 vol%硝酸酸化后，采用ICP-OES进行分析。空白对照组不加气凝胶，但与吸附样品保持相同的初始pH；另设不含Pb(II)的对照组，以检测背景信号。
进行等温线分析时，测试了10、25、50、75、100和150 mg/L的Pb(II)浓度，持续24小时。采用Langmuir和Freundlich模型进行平衡拟合。使用Pb(II)评估气凝胶网络中含氧和含氮官能团的结合能力22。由于Pb(II)的形态变化和沉淀风险对pH值和接触时间敏感，因此主要通过pH控制的终点以及平衡/等温线数据来解析Pb(II)的行为；动力学模型参数仅针对亚甲基蓝（MB）进行报告。
pH、共存离子和水基质效应
在 pH 3.0、5.0、7.0 和 9.0 条件下测试了 pH 对 MB 的影响，对 Pb(II) 则在 pH 3.0、4.5、5.5 和 6.5 条件下进行测试。为避免沉淀，未在碱性条件下测试 Pb(II) 的吸附。记录初始和最终 pH 值，当 pH 漂移超过 0.5 个单位时，重复吸附实验。使用不含气凝胶的相同 pH 空白对照，以区分气凝胶吸附与 pH 依赖性的 Pb(II) 损失或沉淀。
通过添加 10 mM NaCl、5 mM CaCl₂ 或 5 mM MgCl₂ 来评估共存离子的影响。同时测试了包含上述三种盐的混合离子条件。模拟废水中含有 10 mM NaCl、2 mM CaCl₂、2 mM MgCl₂ 和 5 mg/L 腐殖酸。亚甲基蓝（MB）的 pH 调节至 7.0 ± 0.2，Pb(II) 的 pH 调节至 5.5 ± 0.2。这些测试旨在评估在更复杂的水质基质中吸附性能的表现23。
吸附再生
Ag-WNC/CS-A-3 经历了五次吸附循环的再生。对于亚甲基蓝（MB），负载后的气凝胶被浸入 30 mL 体积比为 50:50 的乙醇/水溶液中，处理 2 小时。对于 Pb(II)，负载后的气凝胶被浸入 30 mL 0.05 M 的 HCl 溶液中 1 小时，随后洗涤至 pH 6.5–7.0。每次再生步骤后，样品均在 -55 °C 下冷冻干燥 12 小时。
(11)
气凝胶干重在每个循环前后均被记录。若样品出现可见的坍塌、碎裂，或干重损失超过15%，则被归类为结构失效。
抗原释放
通过将20.0 ± 0.5 mg载银气凝胶浸入50 mL去离子水、0.9 wt% NaCl溶液或pH 5.5乙酸盐缓冲液中，在25 ± 1 °C条件下测定银的释放。在24 h和72 h时，取2 mL等分试样，用1 vol%硝酸酸化后，采用ICP-OES分析。取出的样品体积用新鲜介质补充。
银的释放量以 µg/L 表示，并以负载的总银量的百分比表示：
(12)
本实验用于评估增加银负载量是否在保持抗菌和催化性能的同时导致不必要的银溶出24。
软件与数据处理
使用 ImageJ 1.54 版对 SEM 和 TEM 图像进行分析。使用 OriginPro 2024 处理 FTIR 谱图、XRD 图谱、UV–Vis 动力学曲线、吸附动力学及等温吸附曲线。XPS 谱图采用 CasaXPS 2.3.25 版进行拟合。统计分析与图表绘制使用 GraphPad Prism 10 完成。
在吸附拟合过程中，模型的选择不仅依据R2值，还需考虑实验吸附容量与计算吸附容量之间的一致性、残差分布情况以及参数的物理合理性25。
质量控制与统计分析
所有实验均使用来自至少三个独立制备批次的气凝胶进行。每组物理和力学测试使用五个样本。抗菌、催化、吸附、再生及银释放实验均采用三个独立批次，若适用，每批次设置技术重复三次。
只有当同组内的干密度变化低于15%时，气凝胶批次才被接受。抗菌平板的菌落数在30–300 CFU范围内时方可接受。若400 nm处的初始吸光度与批次均值相差超过10%，则需重复催化试验。吸附试验中，若pH漂移超过0.5个单位，则需重复测试。ICP-OES和UV–Vis校准曲线要求R2 ≥ 0.995。
数据以均值 ± 标准差表示。采用 Shapiro–Wilk 检验评估数据正态性。符合正态分布的数据通过单因素方差分析（one-way ANOVA）进行比较，随后采用 Tukey 事后检验；非正态分布数据则采用 Kruskal-Wallis 检验，随后进行 Dunn 多重比较检验。以 p 值小于 0.05 为具有统计学显著性。除非存在明确的技术原因，否则未剔除任何离群值。
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结果
纤维素富集纸浆的回收及废弃物来源纳米纤维素的制备
预处理过程有效地将甘蔗渣转化为富含纤维素的浆料。经过碱处理和过氧化氢漂白后，生物质从棕色纤维状粉末转变为浅色富含纤维素的浆料，表明木质素和半纤维素组分逐步被去除。纤维素含量从原料甘蔗渣中的42.6% ± 1.8%提高至漂白浆料中的78.6% ± 2.4%，而木质素含量则从21.8% ± 1.5%降低至3.9% ± 0.5%（表3）。经过机械纤化和超声处理后，最终得到的纳米纤维素悬浮液中纤维素含量为82.3% ± 2.0%，基于干基甘蔗渣质量的产率为28.4% ± 2.1%。
透射电子显微镜（TEM）分析证实了纳米级纤维素纤丝的形成。由废弃物制备的纳米纤维素呈现出相互缠结的纤丝形态，平均直径为18.7 nm ± 5.4 nm，平均长度为1.42 µm ± 0.38 µm（图2A、B）。其长径比为76.8 ± 18.5，表明纤维化程度足以形成网络结构。纳米纤维素悬浮液的Zeta电位为−32.6 mV ± 2.9 m...
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讨论
本研究表明，源自废弃物的纳米纤维素可作为构建具有抗菌、催化和吸附功能的多功能气凝胶的结构可行平台。该设计的价值不仅在于将甘蔗渣转化为多孔材料，还在于利用纳米纤维素网络作为壳聚糖增强和绿色银纳米粒子（AgNP）固定化的载体。近期综述强调，基于纳米纤维素的材料因其富含羟基的表面、低密度、高孔隙率以及可修饰的界面，能够通过多种机制与染料、金属离子及其他污染物相互作用，因此在去除水污染物方面具有吸引力26。本研究中的气凝胶系统进一步拓展了这一原理，将污染物吸附功能与抗菌和催化功能集成于单一可回收的整体材料中。
在碱处理、漂白和机械纤化过程中，纤维素的逐步富集表明使用农业废弃物作为起始原料具有可行性。预处理后结晶度的提高与无定形木质素和半纤维素组分的去除一致，而纳米尺度的纤维状形貌则表明机械处理过程足以形成可构建网络结构的纳米纤维素悬浮液。从这一角度来看，废弃原料不仅仅是作为象征性的"绿色"组分被利用，而是直接参与了气凝胶骨架的构建。这一点至关重要，因为尽管纳米纤维素气凝胶常因其多孔结构而受到重视，但其实际可持续性还取决于纤维素...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者衷心感谢南安普顿大学化学与化学工程学院提供的学术环境、必要的实验设施以及开展本研究所必需的分析资源。特别感谢技术支持人员在多模式表征仪器使用过程中提供的宝贵帮助，这些仪器对于复合气凝胶的结构与化学性质评估至关重要。本研究旨在推动农业废弃物的可持续高值化利用及绿色环境材料的设计，研究工作独立完成，未获得任何外部资金资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100 µm 尼龙网 | 商业实验室供应商 | 用于在气凝胶制备前过滤壳聚糖溶液。 | |
| 乙酸 | Sigma-Aldrich | 695092 | |
| 抗生素纸片阳性对照 | 赛默飞世尔科技 | https://www.thermofisher.com/search/browse/category/us/en/90222069 | 根据细菌菌株和当地抗菌检测标准进行选择。 |
| BET比表面积与孔隙率 | Micromeritics ASAP 2460 | ASAP 2460 | Micromeritics 将 ASAP 2460 描述为一种具有可扩展高通量端口的比表面积和孔隙率分析仪。 |
| 氯化钙 | Sigma-Aldrich | 946664 | 根据所购试剂说明报告水合状态。 |
| 碳包覆铜透射电镜载网 | Ted Pella | https://www.tedpella.com/grids_html/ | 在最终表格中使用实际的网格规格。 |
| CasaXPS 版本参考 | CasaXPS 2.3.25 或已安装的当前版本 | https://casaxps.com/ | |
| 壳聚糖 | Sigma-Aldrich | 448869 | |
| 圆柱形聚丙烯模具 | 商业实验室供应商 | 用于气凝胶整料成型。 | |
| 数据分析与绘图 | OriginPro 2024 | ||
| 大肠杆菌 | ATCC | ATCC 25922 | |
| 乙醇 | Sigma-Aldrich | 459844 | |
| 福林–Ciocalteu试剂 | Sigma-Aldrich | F9252 | |
| 冷冻干燥机 | Labconco FreeZone | https://www.labconco.com/category/冷冻干燥蒸发/冷冻干燥系统 | |
| 傅里叶变换红外光谱（FTIR） | Thermo Scientific Nicolet iS50 | 912A0760 | 傅里叶变换红外光谱仪或同等设备 |
| 没食子酸 | Sigma-Aldrich | G7384 | 用作福林试剂的校准标准–Ciocalteu 法测定；试剂产品来源应与实验室核对’其实际购买记录。 |
| 绿茶叶片 | 本地供应商 | 本地供应商 | 使用批记录、品牌、采集/购买日期以及总酚标准化数据，而非仅依赖商业网页信息。 |
| 盐酸 | Sigma-Aldrich | 258148 | |
| 过氧化氢 | Sigma-Aldrich | 386790 | |
| ICP-OES | Agilent 5110 | 5110 | PerkinElmer Avio 500 / 或同等产品 |
| 图像分析 | ImageJ 1.54 | 应根据实验室中实际安装的 ImageJ/Fiji 软件版本进行报告。 | |
| LB肉汤和LB琼脂 | 赛默飞世尔科技 | 10855001 | 使用微生物学实验室库存中的实际供应商名称和目录编号。 |
| 硝酸铅 | Sigma-Aldrich | NIST928 | |
| 氯化镁 | Sigma-Aldrich | M8266 | 根据所购试剂报告水合状态。 |
| 亚甲蓝 | Sigma-Aldrich | M9140 | |
| 硝酸 | Sigma-Aldrich | 438073 | 若可获取，ICP-OES 工作流程应使用痕量金属级试剂。 |
| PBS | 赛默飞世尔科技 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10010023 | 用作抗菌试验对照/稀释介质。 |
| 即用型大肠杆菌质控菌株 | 赛默飞世兰 Culti-Loops | 货号 R4607050 | ATCC 25922 的替代格式 |
| 扫描电子显微镜 | 日立 SU8010 / 蔡司 Sigma / 等效型号 | https://www.hitachi-hightech.com/global/zh/products/microscopes/sem-tem-stem/sem/ | |
| 硝酸银 | Sigma-Aldrich | 209139 | |
| 硼氢化钠 | Sigma-Aldrich | 452882 | Sigma-Aldrich 将硼氢化钠 452882 列为粉末状 ≥98.0%. |
| 碳酸钠 | Sigma-Aldrich | 223530 | |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| 氢氧化钠 | Sigma-Aldrich | 221465 | |
| 金黄色葡萄球菌 | ATCC | ATCC 25923 | 美国典型培养物保藏中心（ATCC）将金黄色葡萄球菌25923（S. aureus 25923）鉴定为用于CLSI纸片扩散法及培养基测试的质量控制菌株。 |
| Prism 10 | GraphPad | 版本 10 | 统计分析 |
| 无菌滤纸片 | Whatman | 用于纸片扩散法对照及气凝胶纸片比较。 | |
| 甘蔗渣 | 本地供应商 | 本地果汁加工来源 | 使用采集记录而非供应商网页；报告采集地点、日期、干燥方法和储存条件。 |
| 注射器滤器 | Millipore | https://www.merckmillipore.com/US/zh/products/过滤/实验室注射器滤器/注射器滤器 | 根据溶剂体系和实际采购记录匹配膜材料。 |
| 透射电子显微镜 | JEOL JEM-2100 | JEM-2100 | |
| 热重分析 | TA Instruments Q500 | Q500 | |
| 万能试验机 | Instron 5943 | 5943 | |
| UV–可见光光谱学 | 岛津 | UV-2600i Plus | |
| XPS 数据处理 | CasaXPS | https://casaxps.com/ | |
| XRD | Bruker D8 Advance | https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/diffractometers-and-x-ray-microscopes/x-ray-diffractometers.html | Rigaku SmartLab / 或同等设备 |
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