DOI: 10.1016/j.cej.2021.131947

传统的空气过滤材料过滤效率有限，生物相容性差，不可降解，不可消毒。同时，基于无纺布的过滤材料严重增加了环境负担。丝素（SF）是一种具有高度生物相容性、可降解性和环境可持续性的天然聚合物，从空气过滤的角度来看，这是一种非常有前途的材料。然而，提高SF基膜的机械强度、过滤效率和消毒性能仍然是一项挑战。在此，研究者通过简便的静电纺丝方法制备了由压电LiNbO3（LN）纳米颗粒和石墨氮化碳（g-C3N4）掺杂SF纳米纤维组成的柔性多功能SF基膜。LN增强了SF基膜的机械性能，并赋予其压电性能以产生静电相互作用，从而提高对颗粒物质（PM）和细菌的吸收。此外，将g-C3N4集成到LN/SF纳米纤维中，使静电纺丝g-C3N4/LN/SF纤维在可见光照射下具有良好的消毒效果，同时保持了三元复合膜优异的机械性能。此外，SF基纳米纤维膜显示出较好的降解性能。这种具有增强机械性能的SF基复合材料显示出多功能性，即提高对PM和细菌的过滤效率，杀灭细菌等，为SF基膜作为环保材料的更广泛应用提供了启示。

图1.SF基纳米纤维膜的制备过程与表征。（a）由蚕茧制备SF纳米原纤维薄膜的过程示意图，（I）对蚕茧进行脱胶处理得到干丝纤维。（II）将脱胶的丝纤维溶解在CaCl2/FA溶液中以获得纳米纤维。（III）混合溶液用于浇铸薄膜，并用去离子水冲洗以去除CaCl2。（b-e）根据上述（a）中的步骤，相应丝纤维的形态。（b）天然丝纤维、（c）脱胶丝纤维、（d）溶解在CaCl2/FA溶液中的丝纤维和（e）丝纤维膜的SEM图像。（f）静电纺丝制备SF纳米纤维膜的示意图。（g）不同静电纺丝时间获得的不同厚度SF纳米纤维膜的照片。（h）（g）中SF膜纳米纤维的SEM图像

图2.（a）LN/SF纳米纤维膜的制备示意图。（b）SF纳米纤维膜、（c）LN纳米颗粒和（d）LN/SF-2纳米纤维膜的SEM图像（插图：LN/SF纳米纤维的TEM图像）。（e）不同LN浓度的SF基纳米纤维膜的应力-应变曲线

图3.（a）LN/SF复合膜在重复按压和释放循环期间的压电测量示意图。（b）纯SF膜、（c）LN/SF-2膜和（d，e）LN/SF/MWCNTs膜的输出电流信号。（f-i）放大的电流信号分别对应于（b-e）中的棕色框。在3.90kPa压力下重复按压和释放循环期间，（h）正向连接电路和（i）反向连接电路中LN/SF/MWCNTs膜的电流信号

图4.（a）使用本研究构建的膜作为过滤器的空气过滤方法示意图。（b）使用商用雾度检测器测量市售活性炭纤维布、PP熔融无纺布、SF和LN/SF纳米纤维膜的空气过滤性能和相应的SEM图像。（c）市售活性炭纤维布、PP熔融无纺布、SF和LN/SF纳米纤维膜过滤前后的平均直径

图5.LN/SF纳米纤维膜对细菌的过滤效率。（a）LN/SF纳米纤维膜作为过滤器的细菌过滤示意图。过滤前后（b）大肠杆菌和（c）金黄色葡萄球菌的荧光显微镜图像

图6.g-C3N4/LN/SF纤维膜的光催化消毒特性。（a）g-C3N4/LN/SF纤维膜的ROS消毒示意图。（b）LN/SF和g-C3N4/LN/SF纤维膜对大肠杆菌活性的影响。（c）使用活菌和死菌染色试剂盒在每个采样时间点获取的荧光显微镜图像（I和II：LN/SF纳米纤维膜；III和IV：g-C3N4/LN/SF纤维膜，30分钟和120分钟）

图7.（a-d）经填埋处理的g-C3N4/LN/SF-2.0％（18kV）纤维膜第1天、第5天、第9天和第15天的照片，（e-h）SEM图像以及（i）机械性能。红色圆圈和箭头表示断裂的纤维