水处理纳米技术方向的发展已有三十年，但相关纳米材料易团聚失活、固液分离困难、规模化生产挑战大，纳米技术关注的体系简单，在规模化水处理应用时存在与现有水处理工艺装备及真实水处理场景适配度低的共性挑战。通过限域的方式将纳米材料固定于大颗粒多孔载体内制成复合材料，是突破纳米材料规模化水处理应用瓶颈最为有效的策略与最有潜力的发展方向。相关研究证实，因空间约束引发的纳米限域效应能显著提升吸附、催化氧化、膜分离等多种水处理技术的效能。在纳米限域环境中，水分子的结构与性质显著区别于体相水，如氢键网络重构、介电常数降低、极性减弱、扩散速率显著加快等。当前纳米限域水处理的相关研究主要关注限域带来的物理效应（如扩散距离缩短、反应物富集），对于限域水结构性质改变及其对污染物分离转化路径的影响过程机制的探究十分缺乏。
潘丙才教授课题组多年来持续聚焦水处理复合纳米材料的研制与应用研究工作，前期围绕水处理纳米限域效应的科学基础与应用方向进行了初步探讨（Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 14, 8509–8526）。近期，课题组结合近五年该方向的研究进展发表展望性论文，进一步剖析了纳米限域环境中水分子的特殊物化性质及其对污染物去除的影响过程机制，提出了基于限域效应的污染物定向转化与资源化新策略，为绿色低碳水处理技术的创新提供了新视角。
论文简要讨论了限域水分子的特殊物化性质及影响污染物去除的可能过程机制（图1）。如限域水的氢键网络畸变导致界面水四面体构型破坏及氢键数量减少，可降低离子水合数，使高水合能离子（如氟离子）的去溶剂化能垒下降，从而促进其内层配位吸附；另外，水分子定向排布导致垂直方向介电常数（ε⊥）显著降低，削弱了带电物质（如离子、反应中间体）的溶剂化作用，可能影响活性氧物种（ROS）稳定性与离子对形成，进而影响污染物氧化反应路径和效率。值得注意的是，限域水极性减弱可诱导气体过溶解现象（如氧气溶解度突破亨利定律预测值），这有望提升基于氧气活化的高级氧化效率。此外，疏水纳米通道内水分子的加速扩散可促进传质过程和反应速率；而亲水限域通道则可能形成传质壁垒，影响反应中间体的稳定性及材料结晶相变过程。
图1 限域水的特殊理化性质及其对水处理过程的潜在影响
基于纳米限域效应，文章提出了“污染物定向转化及资源化”的低碳水处理过程创新策略（图2）。比如，通过限域诱导吸附质“内化”而非仅表面吸附，可显著提升吸附剂的原子利用率并降低再生能耗。同时，限域水的低极性环境可削弱部分产物与催化剂的结合力，缓解产物抑制效应以避免过度反应，从而提高催化剂周转效率，并实现产物的高选择性转化与资源化回收。此外，限域空间约束可驱使反应物采取紧凑构象，降低部分加成/环化反应活化能，抑制相关消除反应路径，有利于调控污染物高值化定向转化过程，从而有助于避免传统污染物矿化过程带来的高能耗与高碳排放。
图2 基于限域效应的水处理方法创新展望
尽管水处理纳米限域效应的应用前景广阔，论文也清晰地指出了这一方向后续发展所面临的关键挑战。在机制认知层面，需深入解析限域水的精细结构及其与溶质（离子、气体分子、自由基中间体）的相互作用规律，探究不同限域体系（空间维度、尺寸、表面化学）下的相关效应机制。纳米空间内的结构和过程表征技术需突破现有手段（如光谱、散射）面临的空间分辨率不足及信号干扰（体相水及限域载体背景信号）等困难。工程应用层面，需设计可规模化制备、且在严苛实际水环境（如连续流、复杂水质）中保持高稳定性、高活性与抗污染性的限域材料（如毫纳结构复合材料、催化陶瓷膜），并开发适配的反应器系统。
论文以“Nanoconfinement-mediated water treatment: where to go?”为题在线发表于Science Bulletin（https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.06.017）。该论文的通讯作者为南京大学环境学院潘丙才教授，第一作者为付宛宜副研究员，共同作者为徐慧博士和杨志超副研究员。本研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等多个项目资助。