大气中细微颗粒物（PMs）的增加是造成环境污染的全球性焦点问题，这些颗粒物可能携带有毒物质，长期暴露于PMs会导致有害的健康问题，如肺部和心血管疾病等。聚乳酸（PLA）作为一种环保聚合物，具有生物相容性好、可降解性好以及力学性能好等优点，在空气过滤领域具有广泛的应用。然而，电纺聚乳酸纤维膜的介电常数低，电荷储存能力差，限制其在空气净化领域的应用。因此，开发具有高电活性的聚乳酸纤维材料对制备生态友好型过滤材料具有重要意义。

近日，中国矿业大学职业健康研究院郑丽娜教授/徐欢副教授与四川大学钟淦基教授、军科院防化院李和国研究员团队开展合作，在期刊《Separation and Purification Technology》，发表了最新研究成果“Electroactive and breathable protective membranes by surface engineering of dielectric nanohybrids at poly(lactic acid) nanofibers with excellent self-sterilization and photothermal properties”。研究者提出了“电纺-电喷”相结合的技术路线，通过直接嵌入介电CNT@ZIF-8纳米杂化体来调控PLA纤维形态并改善纤维表面活性，显著提高PLA纳纤维膜的过滤性能、抗菌性能以及光热性能，对高效和长期医疗保健具有潜在影响。

在这项研究中，研究者提出“静电纺丝-电喷雾”相结合的技术路线，将介电CNT@ZIF-8纳米杂化体直接嵌入在聚乳酸纳米纤维表面，显著提高纳纤膜（NFMs）的表面活性、原位驻极性能（表面电位增加50%）和电荷再生功能（输出电压最高达12.7 V）。鉴于表面形态和电活性的充分调控，纳纤膜表现出优异的PMs过滤性能（PM_0.3过滤效率最高达98.7%，PM_2.5最高达99.8%），并保持理想的低空气阻力（85 L/min流量下仅206.9 Pa）。此外，该纳纤膜在光照下产生活性氧（ROS）且温度升高，两者协同作用，使得纳纤膜具有优异的抗菌特性（对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抗菌率均高达100%），在高性能空气过滤装置和个体防护装备等领域有良好应用前景。

图1 电活性、高抗菌和光热自消杀透气防护膜。

在电纺-电喷过程中，由于CNT@ZIF-8纳米杂化体浓度的升高，PLA纤维表面嵌入的杂化体逐渐增多，表面逐渐粗糙，有利于捕获PMs颗粒，同时也提高纤维的驻极效果，进一步增强了纤维的静电吸附性能。与 Pure PLA纤维相比，随着杂化体的浓度升高，聚乳酸纤维表面逐渐出现明显的凸起并且牢固的嵌入在纤维表面，实现了对纤维的形态的调控（图2）。

图2 PLA-CZ NFMs的形态演化。

引入CNT@ZIF-8可为纤维提供丰富的电荷捕获位点，从而提高摩擦层的电荷密度，提高TENG输出性能，PLA-CZ NFMs输出电压最高达到12.7 V（图3）。同时，为了探究CNT@ZIF-8的引入对PLA NFMs过滤性能的影响，在各个流速下（10、32、65、85 L/min）下评价了纤维膜的综合过滤性能（图3），PLA-CZ NFMs具有优异的空气过滤效率和低压降（在85 L/min的流速下，PLA-CZ12 NFM的PM_0.3和PM_2.5拦截效率分别为98.7%和99.8%，压降仅为206.9 Pa，而Pure PLA为81.2%和84.1%，压降为465.2 Pa）。此外，CNT@ZIF-8纳米杂化体在纤维上形成的凸起导致空气滑移效应，进一步提高了纤维膜的透气性。且PLA-CZ NFMs 在经过长效过滤后仍保持较好的稳定性，表明所制备的PLA-CZ NFMs 能够用于高效空气过滤。

图3 PLA-CZ NFMs的电活性以及过滤性能。

由于CNT@ZIF-8在光照下，能够释放具有抑菌活性的活性氧（ROS）。鉴于此优点，我们利用E. coli和S. aureus评估了PLA-CZ NFMs的抑菌性能（图4）。可以明显的发现Pure PLA与PLA-CZ NFMs 琼脂板上菌落的差异。相比之下，PLA-CZ NFMs对两种细菌的抑菌效率都达到了100%，而Pure PLA 的抑菌效果并不明显。因此，PLA-CZ NFMs表现出优异的杀菌能力。这给开发具有良好的抗菌性能的过滤膜提供了一个范例。

图4 PLA-CZ NFMs的抗菌性能。

CNTs作为一种良好的光热材料，它的存在极大提高了PLA-CZ NFMs的近红外吸收能力和温度管理能力，进一步增强了对细菌的抑制作用。因此，我们在近红外光照射下记录了PLA-CZ NFMs的温度变化（图5）。结果表明，含有CNT@ZIF-8杂化体的纤维膜的升温幅值以及升温速率都远高于Pure PLA纤维膜。因此，PLA-CZ NFMs 在光激发自消毒方面展现出巨大的潜力。

图5 PLA-CZ NFMs的光热性能。

本研究介绍了制备具有增强电活性、吸附性和抗菌活性的CNT@ZIF-8纳米杂化体，并通过“电纺-电喷”技术制备了电活性聚乳酸纳纤膜。CNT@ZIF-8显著改善了PLA-CZ NFMs的电活性、过滤性能、抗菌活性以及光热性能。PLA-CZ NFMs具有理想的生物相容性和可降解性，有望为解决基于传统聚合物纤维的废弃口罩造成的塑料/微塑料污染提供了一种新途径。未来，围绕可降解纤维过滤膜在呼吸防护和智能监测领域的重要应用，团队将继续深入开展基于高电活性PLA纤维的呼吸防护和智能监测研究。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126708

人物简介：

通讯作者：郑丽娜，中国矿业大学教授，博士生导师。江苏省特聘教授获得者，中国矿业大学职业健康研究院院长。长期从事职业安全健康的科学研究与教学工作，主要研究领域包括气溶胶科学、个体防护技术、职业危害暴露控制等。主持国家自然科学基金面上项目和多个省部级项目，作为项目主要完成人参与美国职业研究基金（NORA）和NIOSH纳米技术研究中心基金（NTRC）项目4项，在Journal of Aerosol Science、Analytical Chemistry、 Journal of Analytical Atomic Spectrometry、Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy等国际知名SCI期刊上发表第一作者论文多篇，授权国际发明专利1项，受邀担任《Aerosol Science and Technology》、《Journal of Aerosol Science》、《Atmospheric Environment》、《Journal of Sensors》等期刊审稿人。

通讯作者：徐欢，中国矿业大学副教授。长期从事可降解高分子材料形态与性能调控的理论基础和加工方法研究，参与国家能源集团“井工煤矿粉尘与职业病防治研究”项目，聚焦空气清洁化、疾病防控和塑料污染等重大民生问题，攻关矿井粉尘滤除关键材料绿色化技术，开展了高效空气过滤终端用聚乳酸微/纳纤维材料研发。近三年以第一/通讯作者发表SCI论文27篇，授权发明专利13件，获2021年贵州省自然科学奖三等奖（排名2/3），2022年首届全国博士后揭榜领题金奖，2023年第二届全国博士后创新创业大赛金奖，2023年第一届静电纺丝峰会优秀报告奖。

第一作者：江亮，中国矿业大学材料与物理学院22级硕士研究生，已发表SCI论文3篇，授权发明专利1件。