空气中PM污染已经成为最严重的环境问题之一，对公共健康构成了很大的威胁。PM2.5由于其较小的尺寸可以穿透人的肺部并进入人体循环系统，长期接触PM污染会导致心脏疾病，中风和肺部疾病，包括癌症。过滤膜是除尘技术中必不可少的部分，在现有的过滤膜中，与比非极性聚丙烯纤维相比，极性聚合物纳米纤维如聚-丙烯腈（PAN）对PM具有更强的亲和力和高捕获效高。极性聚合物纳米纤维膜可以使用薄的纳米纤维膜，并具有良好的光学透明度和低气流阻力。这样的高效率的纳米纤维膜不仅用于个人防护和建筑通风过滤，也可以作为透明窗口下的自然屏幕通风。因此，来自斯坦福大学材料与能源科学研究所的崔屹教授课题组通过电纺纳米纤维膜构建了高效透明空气过滤器，相关研究发表在Nano Letters上。

　Figure 1. (a, b) Schematic showing the fabrication of transparent air filter by direct-spinning on a conductive mesh, and OM image of corresponding filter. Scale bar in b is 200 μm. (c, d) Schematic showing the fabrication of transparent air filter by transferring electrospun nanofiber film onto a plastic mesh and OM image of corresponding filter. Scale bar in c is 200 μm. (e, f) Schematic showing the transfer of freestanding electrospun nanofiber film and photograph of corresponding film. Scale bar in e is 5 cm.

　　图1a是直接将电纺聚合物纤维纺到导电网络上，但是导电网格高度不均匀的电场分布导致聚合物纳米纤维沉积不均匀，这种不均匀的聚合物电纺纤维膜不利于作为空气过滤器。因此，研究者通过用粗糙金属箔代替金属网作为收集器，然后将聚合物纳米纤维从金属箔上剥离后置于网格上(图c)。与将纳米纤维直接纺到到电网上相比，剥离的纤维分布更均匀，独立的纳米纤维网络可以进一步传输到非平面或复杂几何形状的基底上，提高了膜的过滤效率。

　　通过保护连接点来保持转移电纺纳米纤维膜的完整性是一个挑战。如图2a和c所示，由于高的界面面积，纤维之间的接触比纤维和平面基底之间的接触弱得多。在转移过程中，纳米纤维与基板的较高接触面积将失去与其他纤维接触连接点而断裂。所以要防止纤维网从转移过程中的断裂，关键是要降低纤维与基材之间的界面能。所以我们选择电沉积表面具有微结构的铜箔作为基材以尽量减少纳米纤维和基材之间的接触，如图2b和d所示。

　　此外，选择聚合物也是至关重要的。如图2e所示，在尼龙-6中重复单元的偶极矩是3.67，以确保纳米纤维和PM颗粒之间的强结合，因此，其展现优异的过滤效率。此外，图2f表明尼龙-6纳米纤维膜具有优异的机械性能。

　　Figure 2. (a, c) Schematic and SEM image showing electrospun nanofibers on smooth copper foil. Scale bar in c is 2 μm. (b, d) Schematic and SEM image showing electrospun nanofibers on rough copper foil. Scale bar in d is 2 μm. (e) Molecular model and formula of Nylon-6 with calculated dipole moment. (f) Tensile tests of Nylon-6 and PAN electrospun nanofiber film, insets are photographs of two films at fracture point.

　　Figure 3. (a) Transmittance of filters of the same size (25 cm 2 ) fabricated by transfer method and direct-spin method at different electrospinning time. (b) Time required to obtain circular freestanding nanofiber films of 70% transmittance at different diameters through two methods. (c) PM 2.5 removal efficiencies of transparent filters from two methods at different transmittances. (d) PM 10?2.5 removal efficiencies of transparent filters from two methods at different transmittances. The error bar represents the standard deviation of three replicate measurements. (e, f) SEM images of Nylon-6 nanofibers before and after filtration. Scale bars in e and f are 2 μm. (g) Flow velocity field in the vicinity of an inhomogeneous nanofiber filter. Black spots represent for nanofibers with diameter of 100 nm. The air flow (0.2 m/s) comes from the bottom, and the top boundary is the outlet (1 atm). The spacing between nanofibers is sparse at the central and dense at the edge. (h) Flux at different spacing between nanofibers. Large spacing results in high flux and therefore high penetration of PM.

　　研究者将转移法和直接电纺的纤维构建空气过滤器进行对比，转移法制备的纳米纤维更均匀，且转移法制备的电纺纤维表现出更好的过滤效果，且过滤器透光率更高（图3c和d）。对于采用转移法构建的透明滤镜，PM 2.5捕获效率极高，可以实现各种光学透过率：PM 2.5捕获率，在?99％透光率下> 95.00％去除率，在?82％的透光率下去除率> 99.56％，在73％透光率的去除> 99.97％和对于PM 10-2.5去除率，?99％透光率下> 99.50％去除率。

　　Figure 4. (a) Photograph of a roll-to-roll process to transfer electrospun nanofiber film onto plastic mesh. (b) Photograph of a roll-to-roll produced transparent air filter. The scale bar is 5 cm. (c) Photograph showing that freestanding nanofiber film can be easily transferred onto a facemask. The scale bar is 3 cm.

　　转移方法的快速和均匀性允许透明空气过滤器适用于卷对卷工艺。如图4a所示，纳米纤维膜是不断转移到塑料网筛上。图4b显示了卷对卷制造的透明空气过滤器，长为50厘米，宽10厘米，可以在住宅中充当窗户屏幕过滤器。同时，转移方法也可以用于获得自支撑膜。 如图4c所示，自支撑膜可以转移到不平坦的基片上提高面罩的过滤效率。除了空气过滤，自支撑膜也用于其他领域如透明电极，锂离子电池，超级电容器，表面增强拉曼散射等等。

　　因此，研究者提出了一个可快速、大规模的制备电纺纳米纤维膜的方法，基于此方法，实现了卷到卷生产具有较强的过滤性能并获得自支撑的纳米纤维薄膜，可用于商业过滤产品。这种大规模的转移方式不仅会加快透明空气过滤器的商业化，也会促进静电纺丝的其他应用。

　　本研究由斯坦福大学材料与能源科学研究所的崔屹教授课题组完成，并发表在Nano Letters上。