DOI: 10.1016/j.memsci.2022.120985

能源消耗产生的颗粒物（PMs）排放是PM污染的主要来源，这些污染通常与高温（>300℃）相关，并且难以在高温下直接去除。静电纺丝纳米纤维膜对PMs过滤具有不可替代的高去除效率和低压降，然而，由于聚合物基纳米纤维膜的耐热性和易燃性较差，因此在高温下有效过滤PMs存在一定的挑战性。在此，研究者通过在350℃的空气中对PAN/PVP/SnCl2纳米纤维膜进行热诱导环化和氧化反应，设计了一种热氧化聚丙烯腈/聚乙烯吡咯烷酮/SnO2（OPAN/PVP/SnO2）纳米纤维膜。在热氧化过程中，Sn2+作为催化剂和活化剂，阻止了PAN纳米纤维的熔化和融合。PVP的加入大大提高了OPAN/SnO2纳米纤维膜的力学性能。制备的OPAN/PVP/SnO2纳米纤维膜在室温下显示出优异的PMs过滤性能，PM0.3和PM2.5的过滤效率分别为99.53%和99.98%。OPAN/PVP/SnO2纳米纤维膜具有高达350℃的高温耐受性和1-14的宽pH耐受性，在350℃和300℃下分别保持了98.51%和98.67%的高PMs去除效率。此外，OPAN/PVP/SnO2纳米纤维膜表现出优异的阻燃和自熄性能，这是原始PAN纳米纤维膜所不具备的。综上，本工作成功制备了一种具有成本效益、耐热和阻燃性能的纳米纤维膜，为能源的清洁利用提供了新的途径。

图1.（a）OPAN/PVP/SnO2纳米纤维膜的制备过程示意图。（b-d）原始PAN纳米纤维、（e-g）PAN/SnCl2纳米纤维和（h-j）PAN/PVP/SnCl2纳米纤维分别在25℃、280℃和350℃下的SEM形态。

图2.（a）所制备纳米纤维膜的FT-IR光谱和（b）XRD图谱。（c）PAN/PVP/SnCl2纳米纤维膜在不同温度下的XPS全扫描光谱。（d）和（e）OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维膜的TEM照片。（f）OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维中元素C、N、Sn、O的EDX映射。比例尺为250nm。

图3.（a）C1s、（b）N1s、（c）O1s和（d）Sn3d的高分辨率XPS光谱。

图4.（a）PAN、PAN/SnCl2和PAN/PVP/SnCl2纳米纤维膜的TG和DTG分析；（b）PAN和PAN/SnCl2纳米纤维膜的DSC曲线；（c）PAN、PAN/SnCl2和PAN/PVP/SnCl2纳米纤维膜的XRD图谱；（d）Sn3d的XPS光谱；（e）N1s的XPS光谱；（f）（i）Sn原子增塑和（ii）催化的示意图和机制。

图5.（a）所制备纳米纤维膜的应变-应力曲线和（b）杨氏模量。（c）折叠时OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维膜的横截面SEM图像。（d）和（e）PAN/SnCl2和PAN/PVP/SnCl2纳米纤维膜在不同温度下的孔径分布。（f）所制备纳米纤维膜的N2渗透性。

图6.（a）PMs去除效率，（b）压降和品质因数。（c）和（d）PMs过滤后OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维膜的表面形貌。（e-g）PMs过滤机制的示意图。

图7.（a）高温PM2.5过滤对不同温度熏香烟雾的去除效率。OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维膜在25℃和300℃下对熏香烟雾的（b）去除效率和（c）压降的长期测试结果。OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维膜在（d）25℃和（e）300℃下过滤熏香烟雾后的SEM图像。（g）酸和（h）碱处理48h后OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维膜的SEM照片。（i）酸碱处理后OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维膜的PMs过滤效率。

图8.（a）原始PAN纳米纤维膜和（b）OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维膜的着火顺序。（c）原始PAN和OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维膜燃烧前后的数码照片。（d）未燃烧部分、（f）燃烧部分和（f）自熄边界的SEM图像。（g）燃烧后OPAN/PVP/SnO2-350纳米纤维膜的FT-IR光谱、（h）XRD图谱和（i）EDX分析。