空气中颗粒物 （PM） 污染是现代社会面临的重大挑战，严重破坏了生态环境，阻碍了精密制造业的发展，甚至威胁着人类的生命健康。由于颗粒粒径极小，成分复杂，PM容易携带传播细菌和病毒，对呼吸安全和心血管系统造成巨大威胁。可生物降解聚乳酸（PLA）纳米纤维膜（NFMs）在解决空气中日益增多的PMs和塑料/微塑料污染方面具有巨大潜力。但仍存在驻极效果较差、介电性能较差和表面活性较低等缺陷，尤其在高湿度环境下电荷迅速耗散，实现长效呼吸防护存在挑战。
近日，中国矿业大学何新建教授/徐欢副教授团队，与扬州大学高杰峰教授、军事科学院李和国研究员团队开展合作，在期刊《Journal of Hazardous Materials》发表了最新研究成果“Lotus leaf-inspired poly(lactic acid) nanofibrous membranes with enhanced humidity resistance for superefficient PM filtration and high-sensitivity passive monitoring”。研究者受到“荷叶表面微突触结构”的启发，采用“静电纺丝-静电喷雾”策略将MOF纳米晶锚定在聚乳酸纳米纤维上，形成类似于荷叶上自然产生的密集突触。独特的MOF突触结构形成衍生出优异的电活性、原位驻极体特性和电荷再生机制以及出色的抗湿性的特殊组合。将MOF纳米晶作为电活性介质引入，使其在PLA纳米纤维上产生活性外壳，通过改善PLA基NFMs的表面活性和电活性进而能显著提高其过滤性能。通过在PLA纳米纤维上创建独特的MOF突触结构来提出荷叶仿生策略，在实时呼吸监测和空气过滤方面具有广阔的前景。
图1 面向高抗湿呼吸防护和高灵敏监测的仿生聚乳酸纳米纤维膜
纤维的表面形态对膜过滤器的过滤性能有深远的影响。鉴于此，通过在PLA纤维表面锚定纳米晶MOF-5来调节纤维膜的形态，制备出不同纤维直径的MOF突触结构纳米纤维膜。静电纺丝法制备的Normal PLA纤维表面光滑，纤维之间相互粘附。相反，静电纺丝-静电喷雾法制备的BM-PLA NFMs由随机堆叠的连续均匀纳米纤维组成，且表面伴有少量纳米突起，形成MOF突触纤维结构，为空气分子的运输提供了通道。此外，锚定纳米晶后，纤维直径呈现出逐渐减小的趋势，纤维得到了明显的细化。
图2 BM-PLA NFMs的形态演变观察
随着MOF-5纳米晶锚定量的增加，BM-PLA纳米纤维膜中MOF-5的特征峰逐渐增强，主要集中在2θ = 6.9°, 9.1°和15.8°处，这与之前报道的数据一致，表明MOF-5的存在。通过FTIR光谱中吸收带和化学键的变化，揭示了纤维膜微观结构的演变过程。1753 cm⁻¹附近的特征峰主要归因于C=O的伸缩振动，随着仿生MOF突触的锚定，这些峰逐渐蓝移至1755 cm⁻¹。而1455 cm⁻¹和1381 cm⁻¹附近的吸收峰分别是苯环的骨架振动和甲基（–CH₃）的变形振动，它们逐渐向 1452 cm⁻¹和1383 cm⁻¹移动。在600~520 cm⁻¹范围内，MOF-5（Zn–O）的特征峰在526 cm⁻¹附近，Normal PLA中不存在该峰，而BM-PLA纳米纤维膜中的该峰从528 cm⁻¹逐渐红移至526 cm⁻¹。上述特征峰的出现和位移表明MOF-5锚定于PLA纤维表面。
图3 BM-PLA NFMs的结构分析
BM-PLA NFMs具有高电活性以及优异的机-电转换性能。其中，添加锚定量为8 wt% MOF纳米晶（BM-PLA8）时，NFM的初始表面电位升高至3.0 kV，并在7天老化后略微下降至2.6 kV，与Normal PLA的1.1和0.6 kV形成鲜明对比。此外，BM-PLA8的输出电压和电流显著提升（64.5 V和151.6 nA），即使在90 % RH下也表现出高抗湿性和长期稳定性。
图4 BM-PLA NFMs的电活性和摩擦电输出性能评估
为了考察仿生突触结构的设计对其过滤性能带来的贡献，在各个气体流速（10、32、65、85 L/min）下评价了过滤器的综合过滤性能。结果显示，所制备的BM-PLA8展现出优异的PM0.3过滤效率和较低的空气阻力（95 %, 250 Pa, 85 L/min），而Normal PLA的过滤性能相对较差（75.8 %, 350 Pa, 85 L/min）。更重要的是，在户外的实际应用中，BM-PLA8展现出可重复使用性和高抗湿性。在四小时的持续服役中，BM-PLA8的PM0.3过滤效率几乎不变（32 L/min）。在高湿度环境下，BM-PLA8也表现出与正常湿度相当的过滤效率。
图5 BM-PLA NFMs的空气过滤性能
对Normal PLA以及BM-PLA NFMs进行了过滤测试后的扫描电镜观察。由于Normal PLA的纤维直径大、表面光滑，再加上PLA的电活性较低，Normal PLA只能依靠物理拦截和较弱的静电吸附能力来过滤可吸入颗粒物，无法达到理想的过滤效率和较低的空气阻力。
对于BM-PLA NFMs，除了常见的物理拦截外，它还可能表现出以下过滤机制。首先，BM-PLA NFMs具有较细的纤维，MOF突触结构在PLA表面的锚定增加了NFMs的表面活性。MOF突触结构不仅增加了存储偶极取向电荷的电荷陷阱，提高了极化强度，而且产生了明显的空气滑移效应，从而降低了空气阻力。其次，MOF-5中存在大量极性官能团，显著提高了NFMs的介电常数。介电常数的增加可以提高偶极电荷的储存电容，而PM在周围纤维产生的高压静电场的影响下被极化，从而促进了纤维的驻极效应和NFMs的静电吸附性能。最后，BM-PLA NFMs还可能因MOF-5比表面积大、活性位点多而具有活性吸附能力。
图6 BM-PLA NFMs的过滤机制
呼吸作为维系生命的关键生理功能，能够反映个体的健康状态。对呼吸状况展开实时监测，有利于及时察觉并预防呼吸系统疾病，这在个性化健康管理领域具有重要的意义。部分传感器凭借成本低廉、信号特征独特等优势，被广泛应用于健康监测以及人体运动监测领域。然而，这些传感器在灵活性与灵敏度方面仍存在显著的局限性。
相较于传统的呼吸监测设备，基于纳米纤维膜的摩擦纳米发电机膜过滤器在呼吸传感方面展现出更为出色的适用性。如图7所示，组装完成的TENG能够收集人体呼吸过程中产生的细微振动能量，并将其转换为电信号，进而达成呼吸监测的功能。显然，通过对呼吸频率与呼吸强度进行对比分析，可以清晰地分辨出正常呼吸、弱呼吸、急促呼吸等多种不同的呼吸状态。
图7 基于NFMs的TENG用于实时监测呼吸状态
在本研究中，仿生荷叶突触结构的精心设计不仅显著改善了纤维的驻极体效应，促进了界面极化，增强了电活性，而且优化了PLA纳米纤维的形貌和纤维直径。鉴于PLA纤维形貌的优化以及电活性的提高，制备的BM-PLA NFMs表现出优异的空气净化能力和出色的低空气阻力。此外，BM-PLA NFMs还实现了在高湿度环境下过滤效率与正常湿度环境下相当，以及在4 h的室外测试中始终保持着高过滤效率，展现了出色的实际应用能力。最后，基于NFMs的TENG能够进行高灵敏的被动呼吸监测，这表明其具有医疗应用潜力。综上所述，BM-PLA NFMs在呼吸防护和个人生理监测领域展现出广阔的应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.137516
人物简介：
第一作者：徐超，中国矿业大学材料与物理学院在读研究生。已发表SCI论文1篇，参与发表SCI论文3篇，中文核心期刊2篇。获2023~2024学年学业二等奖学金。
通讯作者：徐欢，先后毕业于四川大学、瑞典皇家理工学院，获双博士学位。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，参与国家重点研发计划重点专项、国家能源集团“井工煤矿粉尘与职业病防治研究”项目，从事材料科学、安全工程、环境科学与核生化防护等学科交叉融合创新研究，拓展聚乳酸功能纤维材料在个体防护装备、高级别洁净室、公共环境健康等领域应用。研究获得国家自然科学基金青年基金、江苏省青年自然科学基金和行业领先企业等资助。近3年，以第一/通讯作者发表研究论文50余篇，授权发明专利13件，获2021年贵州省自然科学奖三等奖，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，欧美同学会第三届双创大赛三等奖等科研奖励。指导学生获2024年第四届江苏省大学生节能减排社会实践与科技竞赛一等奖、2024年江苏省低碳技术社会实践与科技竞赛创新创业大赛一等奖。
