当今经济快速发展，人民生活水平日益提高，但同时也带来严重的环境问题。空气污染日益严重，污浊的大气中携有大量粉尘颗粒和细菌病毒，随着空气流动传播，对人们的身体健康造成很大的困扰。纤维类过滤材料因具有成本低、适用范围广、易于规模化制备等特点而被广泛应用于空气过滤领域。然而，现有纤维空气过滤材料普遍存在直径粗、孔径大、孔隙率低等缺陷，导致其仍面临材料厚重、堆积结构单一、过滤效率和空气阻力难以同步优化等局限性，严重限制了材料应用性能的大幅提升。
基于以上问题，科研工作者采用静电纺丝技术制备了不同的纳米纤维以构筑不同性能的空气过滤器，在此，我们对空气过滤方面的研究进展进行了汇总梳理，以便大家全面快速地掌握最近的研究动态，并希望给大家的研究带来一些启发。
1、柔性多功能多孔纳米纤维高效空气过滤膜
吉林大学于吉红院士等人采用浸渍法将银纳米粒子嵌入电纺多孔SiO2-TiO2纳米纤维中，制备了具有柔韧性的多功能多孔纳米纤维膜。所得膜具有较高的表面极性和多孔结构，密度低，去除率高，压降小。例如，Ag@STPNM基重仅为3.9 g·m-2，对PM2.5的去除率和压降分别达到98.84%和59 Pa。就其优异的热稳定性而言，吸附的PM可以通过简单的煅烧过程去除。Ag@STPNM的过滤性能在5个净化再生周期内保持稳定，长时间过滤12小时，具有良好的可回收性和耐久性。此外，所制备的纳米银颗粒具有良好的抗氧化性能，抑菌率为95.8%。因此，Ag@STPNM作为一种高效、可重复使用、抗菌的空气过滤器，在净化室内环境或个人空气方面具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Flexible Multifunctional Porous Nanofibrous Membranes for High-Efficiency Air Filtration”为题目发表于期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。
图1 (a)结合静电纺丝技术、煅烧、Ag+离子交换和还原工艺制备Ag@STPNM的流程图。(b) Ag@STPNM的SEM图像，显示了直径为200 -300nm均匀纤维。插图为Ag@STPNM的光学图像。(c) Ag@STPNM的TEM图像，显示了分散良好的Ag纳米颗粒。(d) Ag纳米颗粒在Ag@STPNM中的粒径分布。(b): 1μm;(c): 50 nm。
2. 超薄PVDF-TrFE空气过滤器用于高效过滤PM1.0
有国外研究者报道了超薄聚[(偏氯乙烯-三氟乙烯)(PVDF-TrFE)纳米纤维空气过滤器过滤PM1.0的性能，并通过铁电耦合和摩擦电耦合效应对其进行了增强。利用PVDF-TrFE的铁电性质，可以在高电场下对纳米纤维滤层的极化域进行准直，使其偶极矩净变化最大。摩擦电负性的PVDF-TrFE滤层也可通过摩擦带电进一步增加其静电表面电位。由于偶极极化和摩擦起电后静电耦合效应增强，采用65%透光率的超薄透气性PVDF-TrFE滤光片，极化后PM1.0过滤效率达≈88%以上，经过摩擦生电后，过滤效率进一步提高到≈94%，此外，由于低压降(63 Pa)，该过滤器甚至可以在没有单独强制空气循环系统的自然通风条件下使用。该过滤器的高透光率(≈65%)也可用于需要高可视性的应用场合。因此，该方法可用于开发高性能、高可视性和透气性的过滤介质。相关研究成果以“Electrically Activated Ultrathin PVDF-TrFE Air Filter for High-Efficiency PM1.0 Filtration”为题目发表于期刊《Adv. Funct. Mater.》上。
图2 (a)显示了在聚酯(PE)网格上形成PVDF-TrFE纳米纤维膜的静电纺丝过程的示意图。(b)不同透过率之PVDF-TrFE奈米纤维滤光片之照片。(c)极化过程实验装置示意图。(d)用于增强捕获PM1.0的摩擦带电PVDF-TrFE过滤器。
3. 二维网状纳米纤维空气过滤材料
东华大学俞建勇院士和丁彬教授带领的纳米纤维研究团队以高偶极矩聚合物聚丙烯腈为原料，利用新型湿度诱导“静电纺/喷”技术，制备出了直径细、孔径小、孔隙率高且具有蓬松双网结构的纳米蛛网/纤维高效低阻空气过滤材料。通过借助离子-偶极相互作用提升溶液荷电能力，促进了泰勒锥尖端荷电流体的可控喷射，进而通过调控环境湿度氛围，诱导控制聚合物溶液体系的相分离速度与程度，实现了射流、液滴的同步形变/相变/自组装，获得了具有蓬松双网结构的纳米蛛网/纤维空气过滤材料。该材料中二维超细（~20 nm）纳米蛛网与蓬松纳米纤维支架网络紧密溶接，从而形成了稳定的双网络结构，并赋予了材料孔径小（<300nm）、孔隙率高（93.9%）、堆积密度低（0.18g cm-3 ）、表面化学极性强（偶极矩 4.3 D）等特点。该双网结构纳米蛛网/纤维材料可实现对空气中超细颗粒物的高效低阻过滤，其对最易穿透粒径颗粒物 PM0.3 的过滤效率高达 99.99%，阻力压降仅为大气压的 0.11%；同时，可快速净化室内空气 PM2.5 ，且具有长效循环使用性能。研究成果以“A Fluffy Dual-Network Structured Nanofiber/Nets Filter Enables High-Efficiency Air Filtration”为题发表在《Adv. Funct. Mater.》上。
图3 蓬松双网结构纳米蛛网/纤维制备过程、微观结构及空气过滤应用示意图。
4. 氧化石墨烯改性聚丙烯腈纳米纤维膜用于高效空气过滤
上海交通大学张亚非教授课题组将氧化石墨烯(GO)粉末引入二甲基甲酰胺(DMF)与PAN溶液中，通过静电纺丝制备纳米纤维膜。制备的纳米纤维重量轻，透气性好，长期稳定，在过滤设备中具有潜在的应用前景，如口罩和纱窗，以及其他空气净化系统。纳米纤维的直径主要分布在250 nm左右，保证了较高的空气过滤效率和较高的颗粒吸附稳定性。由于氧化石墨烯薄片上有额外的官能团，PAN/GO纳米纤维对PM2.5的吸附作用可以形成协同作用。与商用口罩过滤材料和纯PAN纳米纤维相比，PAN/GO纳米纤维使用100小时后的去除率分别高出99.1%和15.1%。相关研究成果以“Graphene Oxide-Modified Polyacrylonitrile Nanofibrous Membranes for Efficient Air Filtration”为题目发表于期刊《ACS Appl. Nano Mater.》上。
图4 (a) 电纺纳米纤维的制备方案。(b)电纺丝溶液的组成。
5. 环境友好型静电纺丝膜用于高效空气过滤、染料清除和杀菌
南京林业大学黄超伯教授课题组以聚乙烯醇(PVA)和魔芋葡甘露聚糖（KGM）为原料、引入柠檬酸(CA)作为交联剂，采用绿色电纺丝法制备了负载ZnO纳米粒子的KGM基纳米纤维膜。得到的纤维膜不仅具有高效的空气过滤性能，而且具有良好的光催化活性和抗菌活性。ZnO@PVA/KGM超细颗粒膜(300nm)的过滤效率高于99.99%，优于商用高效微粒过滤器。在120min的太阳辐照下，以20mgL-1为初始浓度，对甲基橙(MO)进行了高效脱色，脱色效率达98%以上。因此，本研究成功研制了具有高效、低流动阻力、光催化活性和抗菌活性优异的多功能膜，在空气过滤、水处理等环境修复方面具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Eco-friendly Electrospun Membranes Loaded with Visible-light Response Nano-particles for Multifunctional usages: High-efficient Air Filtration, Dye Scavenger and Bactericide”为题目发表于期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。
图5 多功能ZnO@PVA/KGM电纺纳米纤维膜。(a)静电纺丝法制备膜的原理图，(b)在空气过滤方面的应用，(c)为光催化降解，(d)为膜的抗菌活性。
6. 首次利用电纺PI-ZIF纳米纤维膜实现高效捕获PM2.5
北航吴俊涛和中国地质大学刘金刚课题组首次提出利用电纺聚酰亚胺/ZIF-8 (PI-ZIF)纳米纤维膜实现高效捕获PM2.5。作者采用单喷丝头电纺丝技术，在常压下制备了PI-ZIF膜，并对比了ZIF-8不同负载量所得的膜过滤效率。随着ZIF-8的加入，纤维表面变得粗糙，出现超薄纤维。PI-ZIF膜由于其比表面积的增加和ZIF-8的多功能化，可以实现高效过滤。当ZIF-8负载量为10%时，PI-ZIF膜的PM2.5过滤效率最高可达到96.6±2.9%。与PI膜相比，PI-ZIF膜的过滤效率明显提高。作者将膜经过300°C热处理，发现该膜仍具有良好的热稳定性、较高的过滤效率，并保持原有的形貌结构。此外，所得膜具有压降低、透光性好、力学性能优良等优点。因此，具有优异综合性能的PI-ZIF膜可用于高效捕获PM2.5，尤其适用于恶劣环境。相关研究成果以“Electrospun polyimide/metal-organic framework nanofibrous membrane with superior thermal stability for efficient PM2.5 capture”为题目发表于《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。
图6 PI- ZIF纳米纤维的SEM图像(a) PI， (b) (c) PI-ZIF-10；(d) 显示PI-ZIF-10膜的透明度。
参考文献：
1. Baixian Wang, Qifei Wang, Yang Wang, Jiancheng Di, Shiding Miao, and Jihong Yu, “Flexible Multifunctional Porous Nanofibrous Membranes for High-Efficiency Air Filtration”, ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI:10.1021/acsami.9b17205
2. Kyung Seok Han, Sol Lee, Minje Kim, Pangun Park, Min Hyung Lee, and Junghyo Nah, “Electrically Activated Ultrathin PVDF‐TrFE Air Filter for High‐Efficiency PM1.0 Filtration”, Adv. Funct. Mater., DOI:10.1002/adfm.201903633.
3. Hui Liu, Shichao Zhang, Lifang Liu, Jianyong Yu, and Bin Ding, “A Fluffy Dual‐Network Structured Nanofiber/Net Filter Enables High‐Efficiency Air Filtration”, Adv. Funct. Mater., DOI:10.1002/adfm.201904108.
4. Chaoran Zhang, Chaoran Zhang, Lu Yao, Zhi Yang, Eric Siu-WaiKong, Xiaofeng Zhu, Yafei Zhang*, “Graphene Oxide-Modified Polyacrylonitrile Nanofibrous Membranes for Efficient Air Filtration”, ACS Appl. Nano Mater., DOI:10.1021/acsanm.9b00806.
5. Dan Lv, Ruoxue Wang, Guosheng Tang, Zhipeng Mou, Jiandu Lei, Jingquan Han, Stefaan De Smedt, Ranhua Xiong,* and Chaobo Huang*, “Eco-friendly Electrospun Membranes Loaded with Visible-light Response Nano-particles for Multifunctional usages: High-efficient Air Filtration, Dye Scavenger and Bactericide”, ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI:0.1021/acsami.9b01508.
6. Zhimin Hao, Juntao Wu*, Chaolu Wang, Jingang Liu, “Electrospun polyimide/metal-organic framework nanofibrous membrane with superior thermal stability for efficient PM2.5 capture”, ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI:10.1021/acsami.8b22415.
