密闭通风不良的室内环境普遍共存PM0.3超细颗粒物、甲醛VOCs与生物气溶胶三类污染物，传统滤材仅物理截留污染物，易造成二次污染且性能衰减；静电纺纳米纤维膜是理想过滤基材，但单一光催化剂的光生载流子存在快速复合的缺陷，直接复合光催化材料会面临过滤效率与压降难以兼顾、催化填料团聚、活性位点被聚合物包裹屏蔽等问题，实现高效过滤与甲醛降解仍存在挑战。

近日，北京服装学院汪滨教授、暨南大学建筑与力学学院皮浩弘博士在期刊《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“Biodegradable electrospun PLA membrane with halloysite-supported ZnIn₂S₄/CeO₂ heterojunction for high-efficiency air filtration and formaldehyde purification”。研究者通过界面工程和静电纺丝技术，制备出低阻高效除尘、动态气流可见光降解甲醛、抗菌且可循环使用的ZnIn2S4/CeO2–IE-HNTs/PLA纳米纤维膜。与纯PLA、PLA-10 wt%、PLA-20 wt%、（ZnIn₂S₄/CeO₂–IE-HNTs负载量）相比，所得的PLA-30 wt%纳米纤维膜表现出更好的膜过滤、甲醛降解以及抗菌性能，为室内多功能空气净化滤材提供了全新、更具实用价值的解决方案。北京服装学院汪滨教授、暨南大学建筑与力学学院皮浩弘博士为共同通讯作者，北京服装学院硕士研究生刘上彬、杨梦娟为共同第一作者。

图1：三元ZnIn2S4/CeO2–IE-HNTs/PLA纳米纤维膜的制备

图1分为两部分：(a)示意经APTES硅烷化、沉淀负载CeO₂并煅烧得到界面改性埃洛石IE-HNTs，再通过甘油辅助溶剂热法在其表面原位生长ZnIn₂S₄纳米片，合成S型ZnIn₂S₄/CeO₂–IE-HNTs异质结粉体；(b)展示将该催化粉体与PLA溶于DCM/DMF混合溶剂配制成纺丝液，在特定电压、接收距离、进料速率条件下静电纺丝，再经真空干燥，最终制得ZnIn₂S₄/CeO₂–IE-HNTs/PLA可降解纳米纤维净化膜。

图2：气相甲醛光催化实验装置示意图

如图2所示，本研究设计了两套气相甲醛测试装置。静态闭环装置作为辅助密闭测试体系，用于探究密封环境下甲醛的光催化降解性能；动态流通式装置则是本文气相净化性能的核心测试平台。

图3：ZnIn2S4/CeO2–IE-HNTs复合膜的形貌、组分与基本表征

图3借助SEM、HRTEM、EDS元素映射及XPS对原料粉体、复合光催化剂及不同负载量纺丝膜开展形貌与结构表征：SEM分别呈现纯ZnIn₂S₄纳米花、片状CeO₂、均匀负载异质结的ZnIn₂S₄/CeO₂–IE-HNTs粉体形貌；HRTEM证实两相形成紧密界面的S型异质结；SEM对比纯PLA及10、20、30 wt%填料复合膜纤维形貌，证明填料可均匀分散且不破坏纤维多孔网络；30 wt%膜的EDS mapping显示Al、Si、Zn、In、S、Ce元素均匀分布，验证异质结在PLA基体中分散均匀。

XPS表征对比纯ZnIn₂S₄、CeO₂及ZnIn₂S₄/CeO₂–IE-HNTs三元异质结的元素特征峰：复合后Zn、In、S、Ce轨道特征峰均发生明显偏移，证明两相界面形成强电子相互作用；Ce 3d谱出现Ce³⁺特征信号，说明异质结构建引入氧空位，可捕获光生载流子；结合价带谱算出各组分价带电位，匹配前述莫特-肖特基导带数据，完整推导能带排列，直接证实材料遵循S型异质结电荷分离转移机制。

图4：电化学与光学性能

图4表征了IE-HNTs、单一组分、二元及三元ZnIn₂S₄/CeO₂–IE-HNTs的孔结构、光电化学与光学性能，样品均为2–40 nm介孔结构；三元材料光电流密度较二元提升1.3倍、电荷转移电阻降低20%，CeO₂、ZnIn₂S₄平带电位分别为 - 0.77 V、 - 1.26 V（vs Ag/AgCl），对应导带电位 - 0.67 V、 -1.16 V（vs NHE）；CeO₂带隙2.71 eV、ZnIn₂S₄带隙2.41 eV，复合后三元异质结带隙缩至2.37 eV，可见光吸收增强，佐证S型电荷转移机理。

图5：ZnIn2S4/CeO2–IE-HNTs复合膜的物理化学性质

图5测试纯PLA、10 wt%、20 wt%、30 wt%填料复合膜的除尘性能，30 wt%样品综合最优：对PM0.3过滤效率＞99.98%，气流压降仅65.5 Pa；纯PLA压降高达93.3 Pa且过滤效率偏低，10 wt%、20 wt%膜过滤能力弱于30 wt%样品；300 min持续测试下该膜过滤效率稳定维持99%以上，压降波动小，兼顾高拦截效率与低通风阻力，解决传统滤材高效高阻的矛盾。

图6：ZnIn2S4/CeO2–IE-HNTs/PLA复合纳米纤维膜的颗粒过滤性能

图6显示，30 wt%复合膜在0.55 m/s流速下对0.05–0.30 μm颗粒的去除率>99.98%（最易穿透粒径>99.9%），压降从纯PLA的93.3 Pa降至65.5 Pa；300 min内效率稳定在99.12%–99.16%，压降仅波动于66.41–66.53 Pa，表面电位稳定在5.8 kV，且膜无污损变形，证实其高效过滤、低压降及长期稳定性。

图7：ZnIn₂S₄/CeO₂–IE-HNTs/PLA复合膜的光催化降解与抗菌性能

图7总结了复合膜的光催化降解与抗菌性能。液相降解中，优化后的5:8:1三元复合物对四环素（TCH）的表观速率常数达7.41×10⁻³ min⁻¹，负载于PLA后仍可在240 min内降解80%的TCH。气体流通测试中，30 wt%膜对甲醛的去除率达44.7±1.0%，并伴随24.83±1.29 ppm的CO₂生成，证实甲醛被矿化而非简单吸附。抗菌实验显示，30 wt%膜在暗态下对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈宽度分别为3.7 mm和6.0 mm，可见光下增至4.0 mm和7.0 mm，呈现光增强抗菌效应，且对革兰氏阳性菌更敏感。

图8：循环稳定性与可重复使用性

图8评估了30 wt%复合膜在动态流通条件下对气相甲醛光催化氧化的循环稳定性与可重用性。光学照片（图8a）和SEM图像（图8b）显示，经过5次循环后膜保持完整纤维形态，无开裂、塌陷或大面积填料脱落。甲醛去除效率（图8c）从首次的44.7±0.39%略微下降至第5次的42.8±0.79%，变化在2个百分点以内；CO₂生成量（图8d）从27.05±0.53 ppm降至25.90±0.57 ppm，两者均呈平缓下降趋势。XPS光谱（图8e）表明Zn、In、S、Ce、O的化学状态在循环后基本保持不变，仅存在微小偏移。总体而言，该膜在5次重复使用中保持了稳定的光催化氧化性能，活性位点未发生快速失活，证实其具有良好的可重用性。

图9通过UPS实验和DFT计算对ZnIn₂S₄/CeO₂异质结的电子结构与界面电荷转移行为进行了系统分析。UPS测试得出CeO₂和ZnIn₂S₄的功函数分别为6.32 eV和5.48 eV，两者差值约0.84 eV，证实了接触后电子会从功函数较低的ZnIn₂S₄向CeO₂自发迁移直至费米能级平衡；DFT计算获得的功函数值（CeO₂为6.35 eV，ZnIn₂S₄为5.42 eV）与实验结果高度吻合（偏差<0.1 eV），并计算出界面电势为5.66 eV，进一步从原子尺度确认了内建电势梯度的形成。此外，态密度（DOS）分析显示界面处存在有限电子态，作者将其归因于IE-HNTs碳质表面介导的界面杂化态，这些态有助于载流子隧穿，而非充当复合中心，从而为S型异质结的高效电荷分离提供了直接的电子结构证据。

图9：电子结构分析

图10：光催化机制

图10通过能带图（a）和功能示意图（b）概括了S型电荷转移路径与“捕获-降解”协同机制。能带图显示，因约0.84 eV的功函数差，电子自发从ZnIn₂S₄流向CeO₂，形成由ZnIn₂S₄指向CeO₂的内建电场（IEF）；光照下该电场选择性地驱动CeO₂导带弱还原性电子与ZnIn₂S₄价带弱氧化性空穴复合，从而保留ZnIn₂S₄导带（-1.16 V）的强还原性电子用于生成·O₂⁻，以及CeO₂价带（+2.04 V）的强氧化性空穴用于生成·OH。功能图则表明：暗态下依靠刚性纳米结构的“纳米刀”效应物理抗菌，可见光下通过活性氧（ROS）将HCHO矿化为CO₂并协同灭活细菌，实现全流程净化。

总的来说，本研究通过界面工程化埃洛石纳米管（IE-HNTs）支架，将ZnIn₂S₄/CeO₂ S型异质结负载于可生物降解的PLA电纺纤维中，成功构建了兼具物理过滤与光催化矿化功能的“捕获-降解”一体化空气净化膜。优化后的膜对PM0.3过滤效率＞99.98%，压降仅约65.5 Pa，且在300 min连续测试及100次循环中性能稳定；动态流通条件下可见光驱动HCHO去除率达44.7±1.0%，伴随CO₂生成证实矿化作用，5次循环后去除率仍保持42.8±0.79%；同时对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效率分别达97.91%和89.88%。机理上，S型异质结内建电场有效分离光生载流子，保留了强还原性与强氧化性活性物种，为高效矿化和抗菌提供了保障。该工作为发展可降解、多功能、长寿命的室内空气净化滤材提供了可行路径。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.138826

人物简介：

汪滨，北京服装学院材料设计与工程学院教授，博士生导师。主要从事静电纺丝技术、功能纳米纤维材料及智能纺织品的应用基础研究。主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目7项。目前已累计在Advanced Fiber Materials （IF=21.3）、ACS Nano（IF=16.0）、Chemical Engineering Journal（IF=13.2）等高水平期刊发表SCI论文55篇（ESI高被引论文1篇）、EI论文12篇，申请中国发明专利18项、授权6项，出版著作2本。获得中国纺织工业联合会科学技术奖二等奖（技术发明奖）、中国非金属矿工业协会非金属矿科学技术奖一等奖/二等奖（基础研究类）、中国产学研合作创新成果奖等科研奖励。目前担任国家自然科学基金和北京市自然科学基金评审专家、北京市科协人才举荐评审专家，以及《纺织学报》第二届青年编辑委员会委员。