由于对全球空气质量问题的关注日益增加，空气过滤材料（AFM）已逐渐成为研究热点。但是，大多数空气过滤材料无法平衡高过滤效率和低压降之间的矛盾。电纺纳米纤维具有大的表面积与体积之比，可调节的多孔结构以及简单的制备工艺，使其成为过滤材料的合适候选者。因此，电纺纳米纤维在空气过滤应用中引起了越来越多的关注。

本文首先综述了高性能电纺空气滤膜（EAFM）的制备方法，以及用于空气过滤的电纺纤维的典型表面结构和过滤原理。其次，总结了具有多种结构的EAFM的研究进展，包括纳米突起、褶皱、多孔、分支、中空、核壳、带状、珠状、网状结构，以及这些纳米纤维在空气过滤中的应用。最后，介绍了制造EAFM的挑战，使用限制以及未来发展的趋势。

多结构电纺纤维的过滤机理

电纺膜的典型结构和PM的筛分过程如图1a所示。 根据经典的过滤理论（稳态）、纤维通过拦截、布朗扩散、惯性碰撞和静电沉积从气流中去除颗粒。（图1b）

气溶胶颗粒过滤的机理主要取决于纤维直径、气流速度和颗粒大小图1c显示了不同粒径颗粒污染物的不同捕获机制的效率。惯性冲击和直接冲击对大于0.3 μm的颗粒有较大的影响，而扩散是0.1 μm颗粒的主要过滤机制。

图1 (a)多孔膜和(b)单纳米纤维从空气中去除微粒的机理。(c)不同过滤机理的单纤维过滤效率。

制备方法：直接电纺

静电纺丝和静电喷涂的主要区别在于所涉及液体的粘度和粘弹性以及射流的行为。另外，射流变形是区分这两种技术的重要因素。在静电纺丝过程中，射流是连续而完整的，在电喷雾过程中会受到外力的作用，导致变形，最终破碎成液滴。

静电纺丝过程可分为四个连续的步骤：(i)液滴电荷和泰勒锥或锥状射流形成；(ii)荷电射流沿直线延伸；(iii)电场作用下，射流变薄，电弯曲不稳定性增加(鞭变不稳定性)；(iv)在接地的集电极上以固体纤维的形式固化收集。

图2.（a）直接静电纺丝，（b）同轴静电纺丝的典型示意图。（c）电喷雾网技术的图解和（d）带电液滴在静电场中的变形过程。

同轴静电纺丝

同轴静电纺丝工艺是Greiner小组首次提出的该技术可以通过使用两种或两种以上的聚合物溶液来生产各种形态的纤维。在同轴静电纺丝中，使用两个同心对齐的喷嘴进行纺丝(图2b)，并对两个喷嘴施加相同的电压来诱导复合液滴变形。

在理想条件下，在变形液滴的尖端产生了射流，并生成了核壳纳米纤维。此外，还可以通过去除芯壳纤维的内部部分来制备中空纳米纤维。

静电喷网

与通常会产生颗粒的传统电喷涂不同，前驱体溶液的剪切应力导致液滴发生同步变形和相分离，形成二维网络结构。由于泰勒锥不稳定性和不完全相分离，液滴喷雾变形组装过程产生了纳米纤维网络(图2c)。在电喷雾成网过程中，带电液滴从泰勒锥中喷射出来，并迅速由球形变为椭球形，最终形成纤维膜(图2d)。

多级结构电纺纤维膜

最常见的静电纺丝纳米纤维是光滑且随机沉积的。许多研究通过调节纺丝液浓度、施加电压、纺丝时间和纺丝环境条件来优化其性能。基于光滑纤维的纳米纤维/网络结构、腔结构、多层结构和图案结构等多结构薄膜是提高QF值的最有效方法。

带串珠状结构的纤维

图3 (a)串上珠结构形成机理示意图。(b)过滤后的气溶胶粒子示意图。(c)空气过滤中单根纤维滑移流效应示意图。

褶皱结构的纤维

近年来，褶皱纳米纤维在吸附、捕获或分离等方面显示出了巨大的潜力。褶皱结构不仅具有很高的比表面积，而且增加了纤维间的平均距离，使得PM过滤效率高于裸纤维。目前构建起皱表面结构的表面改性方法有两种：物理(掺杂，热处理和等离子体处理)和化学(溶剂蒸气退火和湿化学沉淀法)。

图4皱褶结构纳米纤维膜的制备和过滤示意图。

多孔结构纤维

与传统的刚性多孔结构不同，纳米纤维的多孔结构是一个动态系统，可以通过调整工艺参数来改变孔隙大小和结构。各种化学(溶剂处理和非溶剂诱导相分离)和物理(激光辐照)方法已用于制备多孔纤维。

图5 (a−c)多孔纳米纤维的SEM图像由PLLA, PCL和PAN组成。(d) PLA-P多孔纤维的截面。(e)PLA / ZIF-8纤维膜。

核壳结构纤维

静电纺丝核壳纳米纤维因其优异的性能和潜在的应用前景而受到广泛关注。

图6典型的芯壳结构纤维。(a、b) PE/PP芯壳双组份纳米纤维，(c)高取向PVDF/ZnO纳米纤维，(d) PVP中空纤维，(e) PVDF/PVA中空纤维和(f) PVDF中空纤维。

具有分枝结构的纤维

受到由许多树干和树枝组成的天然树木的层次结构的启发，具有多种鳞状组织的分枝纳米纤维由于显著增强的表面积而表现出额外的功能和优越的性能。

图7 (a)分支结构纳米纤维可能形成机理示意图，(b)分支结构纳米纤维的典型结构，插图为树枝的光学图像。(c) 0.1 mol L−1 TBAC的PVDF纳米纤维膜的形貌。(d)去除PM2.5过程示意图。(e)加入5%的FA后PVDF后的形态。

网状结构纤维

图8 (a) Taylor锥注入方式示意图。(b)纳米网络自组装行为示意图。(c) β相摩擦和(d)纳米网纤维膜的过滤性能。

用于空气过滤的各种结构静电纺丝纳米纤维对比

构建具有较低压降的多功能EAFMs来解决更实用的复杂空调条件，如抗菌、催化氧化VOCs、光催化、自愈等功能将成为未来的趋势。今后的研究方向是制备环保型、多功能的静电纺丝纳米纤维。通过精确控制三维结构的组成、排列和孔隙率，实现过滤效率和压降之间的平衡。同时，需要简化制造工艺，降低成本。最终的目标是将静电纺丝纳米纤维从实验室推向产业化。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c06520