东北林业大学《自然·通讯》：玉米基生物质过滤器，高效捕获PM₀.₃且完全可降解

随着工业化与城市化进程加速，大气颗粒物（PM）污染严重威胁公共健康。当前主流空气过滤器依赖石油基合成材料（如聚酯、聚丙烯）或玻璃纤维，这些材料不可降解，填埋或焚烧处理将造成持久性环境污染。尽管生物质材料因其可降解性被视为理想替代品，但其纤维结构存在孔隙不均、连通性差等缺陷，难以高效捕获最难过滤的PM0.3颗粒（粒径约300纳米），成为技术瓶颈。

东北林业大学韩广萍教授、程万里教授、王栋副教授联合东华大学丁彬研究员、张世超研究员、清华大学危岩教授、南京林业大学岳一莹副教授成功开发出一种全生物基高效空气过滤器。该材料以玉米加工残渣（玉米蛋白和秸秆纤维素）为原料，通过绿色静电纺丝技术构建“双网络结构”——表面带沟槽的微米纤维（2.61 ± 1.11 μm）与纳米纤维（0.29 ± 0.18 μm）交织。该过滤器对PM0.3的过滤效率超99.99%，压降低至45 Pa，且可完全生物降解。生命周期评估证实，其碳排放与环境影响显著低于石油基产品。

核心技术突破

研究团队创新性地利用玉米蛋白与秸秆纤维素的协同效应，设计出“动态溶剂交换”工艺（图1b）。在90%高湿度环境中，乙醇/水溶剂（80:20 wt.%）从纺丝射流中挥发，同时环境水蒸气渗入，触发“不完全非溶剂诱导相分离”。此过程形成径向溶剂梯度，使纤维表面先固化并产生纵向沟槽（图1c）。加入纤维素纳米纤丝（CNFs）后，其与玉米蛋白的黏弹性差异引发射流分裂（图1d），一步法构建出微-纳纤维交织的双网络结构（图1e-f）。该结构在保持超低风阻（45 Pa）的同时，PM0.3过滤效率达99.9994%，性能超越传统不可降解材料（图1g）。

图1 | 玉米基电纺纤维的可持续制备策略、纤维形成机制及双网络（D-net）结构 a. 促进绿色、循环和低碳发展的设计理念示意图。 b. 动态溶剂交换驱动的不完全非溶剂诱导相分离过程。 c. 基于管状纤维模型的溶解度控制向内收缩机制示意图。 d. CNFs与玉米蛋白黏弹性失配驱动的射流分裂行为。 e. 双网络（D-net）结构示意图。 f. 由微米纤维和纳米纤维组成的玉米基D-net滤网SEM图像。 g. 本研究与先前报道的各类技术制备滤网的PM₀.₃过滤效率及压降对比（文献22-38）。

结构优势

双网络结构显著提升材料性能（图2a-b）：纳米纤维（0.29 ± 0.18 μm）填补微米纤维间隙，使孔隙率高达94.62%（图2g），主导孔径降至1–4 μm（图2h）。共聚焦显微镜显示CNFs沿纤维轴向分布（图2d），其刚性增强纤维表面沟槽深度，提升颗粒捕获能力。流变测试表明，CNFs加入后溶液黏度骤增（图2e），促进纺丝过程中的应力集中，但红外光谱证实二者仅通过氢键等物理作用结合（图2f），未引入化学残留风险。

图2 | 玉米基滤网的结构性能 a-b. RH 90%条件下 (a) 纯玉米蛋白纤维与 (b) 玉米蛋白/CNFs复合纤维的SEM图像。 c. D-net纤维的直径分布。 d. 荧光标记玉米蛋白（FITC-zein）与CNFs（CW-CNFs）的D-net纤维CLSM图像。 e. 玉米蛋白溶液与玉米蛋白/CNFs溶液黏度随蒸发时间的变化。 f. CNFs、D-net纤维、玉米蛋白及原始玉米蛋白的FTIR光谱。 g-h. 带状、棒状及D-net结构玉米基滤网的 (g) 孔隙率与 (h) 孔径分布。 i. 带状结构（RH 30%）与棒状结构（RH 90%）纤维横截面SEM图像。 （注：数据表示为均值±标准差，n=5；源数据见源数据文件）

实际性能

在应用测试中（图3a-c），超轻薄（10.2 g·m⁻²）的玉米基滤膜在5.33 cm·s⁻¹风速下实现99.9994% PM0.3截留率（压降45 Pa），符合超低穿透空气过滤器标准。即使风速升至16.6 cm·s⁻¹（医用呼吸器标准），效率仍保持98.5%。其甲醛吸附能力同样突出：240分钟内吸附量达滤网自重的1.26倍（图3f），而商用HEPA滤网仅0.017倍（图3e）。机理研究表明（图3g），双网络通过“全结构过滤”拦截颗粒：微米纤维沟槽嵌入式捕获、纳米纤维官能团吸附（电荷/极性/氢键作用），协同克服了传统滤材依赖尺寸筛分的局限。

图3 | 空气过滤与甲醛吸附的功能机制 a. 不同结构玉米基滤网的PM₀.₃过滤效率及压降（风速5.33 cm·s⁻¹）。 b. 不同基重D-net滤网的PM₀.₃过滤效率及压降（风速5.33 cm·s⁻¹）。 c. 不同风速下D-net滤网的PM₀.₃过滤效率及压降（基重11.6 g·m⁻²）。 d. 商用滤网与D-net滤网的过滤效率及压降对比。 e. 玉米基D-net滤网与商用HEPA的甲醛吸附效率对比。 f. 玉米基D-net滤网甲醛吸附相对增重随时间的变化。 g. SEM图像展示玉米基D-net滤网的全结构过滤机制（含PM₀.₃嵌入式捕获）。 （注：数据表示为均值±标准差，n=5；源数据见源数据文件）

环境可持续性

生命周期评估显示（图4a-b），玉米基滤网在所有环境指标（化石资源消耗、海洋富营养化、生态毒性等）上均优于石油基与玻璃纤维滤材。其完全降解特性尤为关键：土壤中埋置2周后完全分解（图4c），磷酸盐缓冲液中降解稍缓（图4d），无需回收处理，真正实现“从自然回归自然”的闭环循环。

图4 | 玉米基滤网的环境可行性 a. 生命周期评估系统边界。 b. 玉米基滤网与聚酯、聚丙烯及玻璃纤维滤网的环境影响对比。 c-d. 尺寸15.5 cm × 7.5 cm玉米基滤网在不同环境中的降解：(c) 土壤环境，(d) PBS溶液环境。

总结与展望

该研究为开发可持续高性能滤材提供了新范式：利用农业废弃物构建可降解双网络结构，兼顾超高效PM0.3过滤与超低风阻。未来，此类材料可独立或集成应用于呼吸防护设备、通风系统、医疗器械及发动机进气过滤，推动空气净化技术向绿色低碳转型。

来源：高分子科学前沿

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