空气污染对人类健康的威胁日益增加，因此过滤器在空气净化应用中的作用备受关注。然而，传统过滤器的滤清效率与压降之间存在着权衡关系，导致能源浪费。因此，如何制造高效且节能的过滤器成为了当前研究领域的一个重要问题。近日，华南理工大学唐敏老师课题组周志强在Advanced Materials上发表了影响因子27.4的高分论文，研究通过仿生学的方法，基于化学气相沉积法制备了一种类似于植物毛发的三维模板硅纳米丝（平均直径约为74nm）的生物仿生（TLB）空气过滤器，并借助MicroFab Inkjet喷墨打印技术，使用MicroFab皮升级微液滴发生系统控制生成尺寸约50μm的微液滴进行冲击测试，验证TLB空气过滤器的超疏水性。TLB空气过滤介质表现出较强的抗水滴冲击能力，从而减少了传染性液滴对过滤介质表面的污染。
夏天刚过，新冠却又有“抬头”的趋势，严重影响了工作生活和身体免疫力。家有老人小孩的更需要注意预防感染，口罩和空气净化器是家庭预防病毒传播的重要措施，然而，传统过滤器的滤清效率与压降之间存在着权衡关系，这导致了能源浪费。本研究将商业过滤介质和过滤器一步到位直接转化为TLB空气过滤器制备了一种三维模板硅纳米丝（平均直径约为74nm）的生物仿生（TLB）空气过滤器，可选择的过滤级别（高达U15，约为99.9995％）使其能够满足各种要求，并且其整体过滤性能超过了大多数商业空气过滤器，包括熔喷布、ePTFE膜、电纺网和玻璃纤维纸。研究人员还制造了可重复使用的N95呼吸器和空气净化器，这些设备配备了TLB空气过滤器，克服了现有过滤器设计和制造方法的局限性。
▲ 图1 TLB空气过滤器的仿生设计及主要特点
如图1，受仙人掌的仿生概念启发进行了本研究过滤器的设计：以三氯甲基硅烷（TCMS）为原料，商用玻璃纤维过滤介质和过滤器作为模板基板通过简单的CVD方法制备了3d模板化硅纳米丝的TLB空气过滤器。垂直于玻璃纤维方向的3d模板硅纳米丝的毛状分层结构，硅纳米丝的平均直径和长度分别为≈74nm和大于10μm，以随机弯曲、钩状和缠结的方式展示。 ▲ 图2 TLB空气过滤器过滤等级可随TCMS浓度变化调节，过滤寿命长
通过改变TCMS的反应浓度（0.2、0.4和0.8 mmol L-1 ）来控制模板硅纳米丝在玻璃纤维过滤介质表面的生长，设计了超过五种过滤类型，发现随着TCMS反应浓度的增加，硅纳米丝的数量和长度逐渐增加，纳米纤维结构可控。使用BET模型评估，TLB空气过滤器的孔隙率（超过95%）与原始玻璃纤维过滤介质相当，超过了大多数纳米纤维过滤介质，有助于其提高过滤性能。 ▲ 图3 TLB空气过滤器的过滤机理
在相同的过滤等级（E11级） 下，与其他过滤介质相比，TLB空气过滤器表现出更开放的孔隙结构，可容纳更多的粉尘颗粒，同时能够利用滑动效应被动捕获空气污染物，减少气流阻力，克服了压降与过滤效率之间的权衡，提高了过滤器的使用寿命。当使用原始过滤器净化空气时，室内PM2.5浓度下降缓慢，在80min后达到5μg m-3 以下。相比之下，TLB空气过滤器表现出更好的空气净化能力，室内PM2.5浓度在50min内降至5μg m -3 以下，表明其具有良好的商业应用前景。 ▲ 图4 TLB空气过滤器的应用
除了出色的过滤性能外，TLB空气过滤介质还具有超疏水性（表观接触角＞150°），可以阻挡富含水的感染性气溶胶，并提高其在高湿操作环境中的耐久性：根据喷墨打印原理，使用MicroFab 皮升级微液滴发生系统控制生成尺寸约50μm的微液滴对过滤介质表面进行冲击测试，发现TLB空气过滤介质表现出较强的抗水滴冲击性，这可能归因于硅纳米丝的高表面粗糙度和疏水性。因此，高性能、可加工且工艺简化的TLB空气过滤介质有望成为各种空气净化应用的过滤单元，实现反复使用。 ▲ 视频 使用MicroFab的皮升级微液滴发生系统控制生成尺寸约50μm的微液滴对过滤介质表面进行冲击测试 本研究基于一种简单且可扩展的原位CVD方法，开发了具有3D模板化硅纳米丝(平均直径≈74nm)的TLB空气过滤器，并根据喷墨打印原理，通过MicroFab喷墨打印技术，验证了TLB空气过滤器的疏水性。理论建模和实验结果表明，通过在模板基板上创新性组装三维分层纳米结构为过滤器提供了明显的滑移效应，可以被动捕获空气污染物，克服了压降和过滤效率之间的权衡。同时可选过滤等级(高达U15，≈99.9995%)满足了各种应用的需求，其整体过滤性能超过了广泛使用的商品空气过滤介质（如静电纺垫、ePTFE膜、玻璃纤维纸和熔喷布等）。此外，研究人员还制造了可重复使用的N95呼吸器和空气净化器，这些设备配备了TLB空气过滤器，显示出更好的空气净化能力，克服了现有过滤器设计和制造方法的局限性。
参考文献：
[1] Zhou Z, You T, Pan Z, et al. Trichome‐Like Biomimetic Air Filters via Templated Silicone Nanofilaments[J]. Advanced Materials, 2024: 2311129.
[2] Zhou Z, Wang D, Pan Z, et al. Bioinspired Structures Made of Silicone Nanofilaments for Upcycling Waste Masks to Reusable N95 Respirators[J]. Nano Letters, 2024, 24(15): 4415-4422.
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