类似海胆结构的、嵌入二氧化钛的聚丙烯腈纳米纤维，固定在无纺布上：一种可重复使用且高效的系统，用于过滤PM2.5并光催化降解甲苯

基于电纺技术制备的乌贼骨状多孔TiO?/聚丙烯腈纳米纤维非 woven fabric（UPN-20）空气过滤器，实现了97.2%甲苯降解效率与99.99% PM2.5过滤性能，兼具高稳定性（48小时持续运行无显著性能衰减）、可水洗再生及低空气阻力特性。

　　

阮玉丽（Huyen Ngoc Ly）| 西耶达·马努尔·泽赫拉（Syeda Mahnoor Zehra）| 维贾亚罗希尼·帕拉苏拉曼（Vijayarohini Parasuraman）| 吴拉姆·李（Woo Ram Lee）| 姜成道（Seungdo Kim）

韩国春川市Hallym大学化学系，邮编24252

摘要

近年来，旨在最大化去除大气污染物效率的下一代空气过滤材料的设计与开发受到了广泛关注。然而，在实际应用中，这些材料仍面临诸多挑战，例如保持稳定的性能、在多种环境条件下有效运行，以及适应不同污染物所需的独特去除机制。本研究采用一种简单且可扩展的电纺方法，制备了一种由海胆状多孔二氧化钛与聚丙烯腈纳米纤维结合、并固定在无纺布（UPN-20）上的空气过滤器。通过整合各组分的优势，尤其是二氧化钛的催化活性、高孔隙率和开放通道系统，优化的UPN-20过滤器在去除甲苯方面表现出优异的性能：在连续48小时的运行中，甲苯去除效率达到97.2%，同时具备良好的稳定性和可回收性。此外，由于其夹层结构（高密度填充和轻质特性），UPN-20纤维过滤器还具有出色的PM_2.5过滤效果、可重复使用性和清洗能力，PM_2.5去除率为99.99%，质量因子为1.6 Pa^?1。利用这种海胆状二氧化钛纳米纤维网络和独特结构，本文提出了一种实用且经济高效的双功能空气过滤器开发策略，以实现更出色的空气净化效果。

引言

空气污染（包括颗粒物PM和挥发性有机化合物VOC）对环境质量和人类健康构成严重威胁[1][2][3]。PM_2.5因其微小体积和较大表面积而特别有害，这导致其表面能较高[4]。当PM_2.5悬浮在空气中时，它能吸附多种有毒物质，从而危害公共健康并降低大气能见度[5][6]。此外，如油漆、粘合剂和家用家具中常见的VOC也是重要的空气污染物，会显著恶化室内空气质量[7][8]。传统的空气净化系统通常由高效颗粒空气（HEPA）过滤器（用于捕获PM）和活性炭过滤器（用于吸附气态污染物）组成。但在实际使用中，传统HEPA过滤器虽然能高效捕获PM，却无法有效去除VOC[9]。此外，由于不可回收，HEPA过滤器的使用寿命较短，导致资源浪费和废物管理问题加剧[10]。而活性炭过滤器虽然具有较大的比表面积，能有效吸附气态污染物，但其VOC吸附能力有限且容易达到饱和[12]。因此，亟需开发出具有更高过滤效率、更大负载容量、更好稳定性和更强再生能力的下一代空气过滤介质。 电纺技术是一种能够生产纳米级超细纤维的有效方法，已被广泛应用于制造具有高比表面积、多孔性和可控尺寸及形态的现代过滤器[13][14]。这些特性使过滤器具有较低的空气阻力，从而降低能耗。通过电纺方法并注入电荷，可以增强静电吸引作用，进一步提高过滤器的除尘能力[15][16][17]。当中性颗粒进入带电电纺纤维周围的非均匀电场时，会产生介电泳力[18][19]。此外，电纺过程还允许在聚合物基质中添加各种添加剂，从而生产出具有特定功能（如吸附、PM捕获和光催化）的复合纤维[20][21]。 聚合物是使用电纺技术制造多功能纤维过滤器的关键材料，常见的包括聚氨酯[22][23]、聚乙烯醇[24]、聚醚酰亚胺[25]、聚丙烯腈[26][27]和聚乳酸[28]等。其中，聚丙烯腈（PAN）因其热稳定性、良好的物理化学性质和可纺性，被广泛用于制造除尘用纳米纤维膜[29][30]。PAN结构中的极性硝基团产生较高的偶极矩[31]，偶极-偶极或诱导偶极相互作用能增强PM与聚合物表面的结合，从而提高PM捕获效率[32]。电纺得到的PAN纳米纤维具有细小纤维、曲折的孔道结构和活性表面，能够在最小化压降的同时高效捕获PM_2.5[33]。加入光催化剂可显著提升PAN纳米纤维的光催化VOC降解性能[34]。二氧化钛（TiO₂）因其物理化学稳定性、超亲水性、环保性和经济性而成为理想选择[35][36]，尤其是具有层状结构的TiO₂（如球形或花状），可作为高效的光催化剂，有效吸收光线并快速降解有机污染物[37][38][39]。特别是海胆状结构的TiO₂，其可调孔径、大比表面积和开放通道网络不仅能增强光吸收，还能加速电子-空穴分离，提高光催化活性，并在运行过程中保护活性位点，从而提高稳定性[40][41]。 本研究采用简单且可扩展的电纺方法，制备了由海胆状二氧化钛与聚丙烯腈纳米纤维结合、固定在无纺布（UPN-20）上的空气过滤器。得益于各组分的协同作用，尤其是均匀分布的催化活性位点、高比表面积和开放孔道，UPN-20在去除甲苯方面表现出优异的性能：高效、稳定且可回收。其夹层结构提供了高密度纤维网络和轻质结构，降低了空气阻力，实现了最佳的压降-效率平衡，同时具备出色的PM_2.5过滤效果、可重复使用性和清洗性能。本研究为设计开发高效、经济的双功能空气过滤器提供了有效策略。

材料

四丁基钛酸盐（TBT，98%）购自Alfa Aesar；聚丙烯腈（PAN，分子量M_w = 150,000）购自Sigma-Aldrich；N,N-二甲基甲酰胺（DMF，99.5%）、乙酸（CH₃COOH，99.7%）和无水乙醇（C₂H₅OH，99.5%）由Daejung Co Ltd.提供；无纺布（NWF）由Easyrental U.K Ltd.提供，用于收集电纺纳米纤维（图S1）；商用HEPA过滤器购自YB非织造布公司（图S2）。所有试剂均按标准纯度使用。

UPN纤维空气过滤器的制备

图1展示了通过两步法制备UPN-x纤维过滤器的过程：首先采用溶热法合成二氧化钛（UPT，图S3），然后使用PAN作为载体聚合物、NWF作为基底通过电纺技术制备UPN膜（图S4）。与透明NWF基底相比，制备的过滤器变得不透明且具有较高的填充密度，表明纳米纤维已在NWF基底上形成（图S4）。

结论

本研究采用简单且可扩展的电纺方法制备了UPN-20多孔过滤器。该过滤器在去除甲苯方面表现出优异的性能：在360分钟紫外光照射后，甲苯去除效率达到97.2%，并且在48小时内性能稳定，无显著退化。其夹层结构进一步提升了过滤效果。

作者贡献声明

阮玉丽（Huyen Ngoc Ly）：撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、软件应用、方法设计、数据分析、概念构建。 西耶达·马努尔·泽赫拉（Syeda Mahnoor Zehra）：撰写、审稿与编辑。 维贾亚罗希尼·帕拉苏拉曼（Vijayarohini Parasuraman）：撰写、审稿与编辑、软件应用。 吴拉姆·李（Woo Ram Lee）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、结果验证、项目监督。 姜成道（Seungdo Kim）：项目监督、资金筹集、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国环境部“废物转化为能源-人力资源发展项目”（YL-WE-21-001）的支持。