随着全球工业化进程不断推进，空气污染与环境污染问题日益严重，这对人类的身体健康产生了严重的危害。因此开发出一种生物可降解的高效空气过滤材料具有十分重要的意义。然而，生物可降解过滤膜的力学性能一般较差，且其过滤效率通常劣于PAN、PVDF等传统的不可降解膜，因此，制备一种生物可降解的高性能空气过滤膜仍然是一项巨大的挑战。

近日，南方科技大学王湘麟讲席教授，陈柔羲研究副教授教授和邓巍巍教授团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Electrospinning of Biodegradable, Monolithic Membrane with Distinct Bimodal Micron Sized and Nanofibers for High Efficiency PMs Removal”。研究者使用生物来源材料聚-3-羟基丁酸脂-co-3-羟基戊酸脂（PHBV）进行静电纺丝，制备纤维空气过滤膜。

通过控制静电纺丝条件，使静电纺丝射流发生不稳定流动，射流表面产生大量凸起，这些凸起点可形成次级射流，最终形成在主射流表面分裂出大量次级射流的情形。当这些不同尺寸的射流堆积到接收极板上后，就形成了纳米纤维与微米纤维并存的分级结构纤维膜（PHBV HN纤维膜）。其中，纳米纤维的平均直径仅有48 nm，具有较强的空气滑移效应，能够有效的降低PHBV HN纤维膜的空气阻力。此外，纳米纤维相互交错形成的纳米网络粘结在微米纤维表面并分布于微米纤维之间的空隙中，使得PHBV HN纤维膜具有优异的过滤稳定性并且对尺寸较小的颗粒物也具有极高的过滤能力。

图1：PHBV HN纤维膜的制备及形貌。

不同纺丝条件所制备的PHBV HN纤维膜的纳米网络覆盖密度（NCR）是不同的，提高NCR在显著提升纤维膜的空气过滤效率的同时也会增加纤维膜的过滤阻力。研究者通过调整纺丝条件，得到了NCR为70%的PHBV HN纤维膜，其具有极为优异的空气过滤性能，对PM_0.3的过滤效率可达99.99%以上，过滤阻力仅有78 Pa左右（气流速度为5.33 cm/s）。且其具有良好的结构稳定性，不论是提高气流速度还是长时间使用，均不会对其过滤性能产生影响。同时，PHBV HN纤维膜具有良好的力学性能，其拉伸强度超过3 MPa，且具有极高的断裂伸长率，可以满足日常使用所需。

图2：PHBV HN纤维膜的NCR数值及空气过滤性能变化。

图3：PHBV HN纤维膜降解性能。

此外，PHBV HN纤维膜还具有优异的降解性能。在堆肥条件下，其七天内即可完全崩解，140天左右即可完全生物降解。因此，PHBV HN纤维膜的废弃物处理非常方便简单，不会对环境产生任何危害。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c06491

团队介绍：

王湘麟讲席教授，任南方科技大学材料科学与工程系终身教授，国家特聘专家，深圳市重点实验室副主任，广东省重点实验室学习委员会主任，材料基因大装置制备平台主任；主要研究有机聚合物材料的制备和有机无机复合材料在锂离子电池、钙钛矿太阳能电池、生物成像和生物传感器上的应用。以作者及共同作者在Science, Nature Nanotechnology, PNAS, Journal of the American Chemical Society, Chemical Society Review, and Advanced Materials等国际权威学术期刊上发表论文190多篇，被引次数超过14700次，H-Index为58。

陈柔羲研究副教授，南方科技大学材料科学与工程系与创新创业学院研究副教授、副研究员，硕士生导师，主要从事功能性纳米纤维的制备机理与应用研究，近年来致力于基于材料基因思想，发展功能性纳米纤维的高通量制备平台，并开展在核电军工、环境过滤、特种防护、医用敷料和能源电池方面的应用，相关研究成果已发表学术论文40余篇，申请专利50余项。

邓巍巍教授，长江学者，南方科技大学力航系教授。加入南科大前任美国弗吉尼亚理工大学机械工程系终身职副教授。研究方向是微小尺度实验流体力学，激光与射流和液滴的作用，微小液滴及气溶胶的产生和应用。主持国家自然科学基金专项项目(2020)、重点项目(2019)和面上项目（2018）各一项。回国前主持美国自然科学基金三项。于2015年获得美国自然科学基金NSF CAREER Award。发表学术论文和专著六十余篇，包括两篇Physical Review Letters《物理评论快报》封面文章。