DOI: 10.1002/smll.202100556

颗粒物（PM）是最严重的大气污染物之一，对人类健康构成了威胁。将高过滤效率的空气过滤器应用于PM源是减少污染的有效途径。然而，许多现有的过滤材料通常由于其在高速气流下的压降高以及高温下的热稳定性差而失效。在本文中，研究者通过化学气相沉积（CVD）设计并制备了由定向且互连良好的Si3N4纳米纤维组装而成的高度多孔的Si3N4纳米纤维海绵（Si3N4 NFS）。由此产生的超轻Si3N4 NFS（2.69mg/cm3）具有温度不变可逆拉伸性（10％应变）和压缩性（50％应变），这使其在高速气流下具备一定的机械强度。即使在较高的气流速度（8.72m/s）和温度（1000℃）下，高度多孔且定向的微观结构使得Si3N4 NFS具有较高的PM2.5过滤效率（99.97％），同时产生较低的压降（340Pa，仅低于0.33％的大气压力）。此外，Si3N4 NFS空气过滤器具有良好的长期使用性能和可回收性。这种定向微观结构的Si3N4 NFS为高效气体过滤器的设计和制备提供了新的视角。

图1.α-Si3N4纳米纤维海绵的工作机理和形成示意图。a）气流下泡沫的受力分析。b）PMs沿纤维方向滑动，并在摩擦力作用下停滞。c）Si3N4 NFS的形成。

图2.Si3N4 NFS的宏观和微观结构以及表征。a）所制备的Si3N4 NFS的数字照片，密度为2.69mg/cm3。b）Si3N4 NFS横截面的SEM图像。c）定向纳米纤维束的HESEM。d）下方悬挂着100克重物的Si3N4 NFS。e）纳米纤维的EDS图像，而蓝色、红色和绿色曲线分别代表Si、N和O的含量。f）纳米纤维的TEM图像，插图为相应选区电子衍射（SAED）图谱。g）纳米纤维厚度和宽度的尺寸分布直方图。h）Si3N4 NFS的XRD图。

图3.Si3N4 NFS的温度不变拉伸性能。a）在-150至500℃下Si3N4 NFS的σ-ε曲线。b）Si3N4 NFS在3％、5％和10％加载-卸载过程中于500℃下的σ-ε曲线。c）在5％应变下，Si3N4 NFS的100次加载-卸载疲劳循环。d）不同循环下的最大应力和杨氏模量。e-h）Si3N4 NFS在拉伸和释放过程中的微观结构演变。e）变形前；f,g）分别在5％和10％应变载荷下；h）恢复后。

图4.Si3N4 NFS的过滤性能。a）高温过滤装置的示意图。b）Si3N4纳米纤维海绵过滤器的压降与气流速度的关系。c）Si3N4 NFS过滤器在1000℃、8.72m/s的气流速度下运行180min的PM10和PM2.5过滤效率以及压降。d）Si3N4 NFS在0.48-8.72m/s气流速度下的QF。e）去除PM2.5的长期回收性能。f）Si3N4 NFS过滤器进行10次循环的PM2.5过滤效率和压降。g,h）污染纳米纤维和清洁后的HRSEM图像。i）使用Si3N4 NFS对汽车尾气进行PM测量。j）不同粒径汽车尾气的过滤效率。k）Si3N4 NFS和其他空气过滤材料的过滤效率、QF、工作温度、气流速度（υ）和υ/ΔP的比较。