吉林大学于吉红、王洋团队Chem：在高效、长效捕获空气中悬浮的危险颗粒物方面取得新进展

导读

近日，吉林大学化学学院于吉红院士团队在高效、长效捕获空气中悬浮的危险颗粒物方面取得重要进展。该团队创新性地提出了一种新型、简便且通用的空气净化策略，未来有望推动更为安全、健康的空气过滤器的发展。研究成果以“Functional Liquid Layer Enabled Superior Performance of Air Purification Filter”为题，于4月4日发表在Chem上。

由危险悬浮颗粒物引发的空气污染会对生态环境及公众健康产生不利影响。因此，研究人员致力于开发兼具高安全性和长效稳定性的空气净化系统。大部分现有过滤器的核心过滤机制是依赖于其附加的表面吸引位点（例如静电荷）。然而，这类表面吸引位点通常具有易流失的缺陷，从而使上述传统过滤系统始终面临不可避免的应用稳定性差和表面结垢/堵塞问题。据此，本团队提出了一种新型功能液层介导的净化系统（LMS）。

图1.LMS的空气净化原理及制备策略

如图1A所示，LMS整体的过滤机制包含下述三个步骤：第一步骤是颗粒物与气-液界面之间的相互吸引效应。理想的功能液层能够为悬浮在空中的颗粒提供强大的吸引力。当受污染的空气吹向并靠近过滤器时，其中的颗粒物就会被集中吸引至液体表面。而第二步骤涉及到对颗粒的捕获。该步骤中的颗粒物的表面自由能变化表明，任何颗粒物从气相到气液界面的附着行为均能够自发发生。在第三步骤中，功能液层能够进一步实现对被捕获颗粒物的截留与浸没。浸入功能液层中的颗粒物所受到的总捕获力（FP）协同其所需的超高颗粒脱离能（颗粒物脱离液层返回气相所需要的能量）足以保证被捕获的颗粒能够在液层内留存下来。换句话说，功能液层作为核心的捕获介质能够“拖拽”颗粒物进入液层内部，并且同时阻止被捕获的颗粒物逃逸返回气相。LMS能够实现对几乎所有种类的空气内悬浮颗粒物（无论其润湿性和表面形态）的有效捕获。

该研究重点开发了以丙三醇液体层作为核心液体介质的LMS（命名为GMPPM），通过采用一种连续卷对卷生产方法（图1B）实现了单根纤维基质上形成超薄的液态外壳层。这种“核壳”结构的GMPPM（其中甘油作为外壳部分，纤维基质作为核部分）能够保持过滤器固有的高孔隙率，以提供一条通畅的空气通道从而避免高压力降数值的产生。这一独特的液态-多孔膜基质结构打破了传统液膜由于液体引入造成的孔隙堵塞缺陷。

图2.由表面张力效应驱动的颗粒物吸引步骤

为进一步证明LMS的驱动机制，研究人员选取了具有不同表面张力的功能液体以评估高表面张力效应在颗粒物捕获过程中的重要性（图2，第一步骤）。

图3. GMPPM的过滤性能及颗粒捕获情况

此外，研究人员以烟尘和氯化钠气溶胶粒子作为实验对象，用于评估LMS的综合过滤性能（图3）。

图4.GMPPM的颗粒物截留步骤

同时，基于颗粒物在GMPPM内的高脱离能需求，研究人员构建了颗粒物浸没与逃逸模型（图4）。计算结果进一步表明，即使是具备表面超疏水性的颗粒物也倾向于被牢牢地困在液层中，而不是经碰撞后重返气相（第二、三步骤）。

图5.LMS的应用潜力

与传统的商业空气净化策略不同，LMS这一低阻力微粒过滤器有望扩大实际应用范围并提高过滤系统的整体安全标准，因为它能有效地过滤微小且危险的生物气溶胶，且其超高的容尘量使得其在高浓度尘霾环境下能发挥高效作用。此外，LMS具有显著的耐久性，从而有潜力解决聚合物原材料的滥用问题，并有助于减轻经济损失和环境损害。此外，基于LMS的可组合性，通过调整LMS以匹配过滤要求，可以实现更多通用和适用功能的发展（图5）。

吉林大学博士后王琪菲为第一作者。通讯作者为吉林大学于吉红院士和王洋教授。合作团队在吉林大学的研究工作得到了国家重点研发计、吉林省重大科技专项、中国博士后科学基金和国家资助博士后研究人员计划（B档）科技部等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102526

来源：吉林大学化学学院