近日，beat365建築技術科學系莫金漢副教授、張寅平教授聯合美國麻省理工學院李巨教授團隊，開展跨學科合作研究，利用多巴胺的自組裝效應，對低成本的粗效纖維表面進行電學特性和微結構的雙調控，實現了粗效纖維的過濾效率突破：對0.3μm顆粒物高達99.48%，且阻力低至9.5Pa。該研究以“Ultralow resistance two-stage electrostatically assisted air filtration by polydopamine coated PET coarse filter”為題，發表在Wiley雜志社旗下的Small上（DOI：10.1002/smll.202102051），并被選為Inside back cover。該論文的第1作者是beat365建築技術科學系博士田恩澤，通訊作者是美國麻省理工學院李巨教授、徐桂銀博士和beat365建築技術科學系莫金漢副教授。研究成果也被Wiley中文網站（MaterialsViewsChina@Wiley）報道：

https://www.materialsviewschina.com/2021/08/56187/

室内外顆粒物污染嚴峻，嚴重影響人民健康和生産生活，已成為社會關注的重要問題。在通風系統中使用過濾器是減輕室内顆粒物污染的有效手段，但通風過濾技術的瓶頸問題是：高過濾效率、低阻力、大容塵量難以兼得。因此發展兼顧上述三者的空氣顆粒物過濾技術，對健康建築環境營造和節能減排都具有重要意義。

現有研究的主要思路是圍繞納米材料等高成本、高級材料制備方法來提升過濾性能。該研究思路則繞開這一限制，基于低成本的粗效過濾材料，采用可大規模量産的清潔無污染方法對其進行改造，通過增強材料表面的靜電響應能力和保持顆粒物的能力，增大纖維與顆粒物之間的作用力，在不明顯增加阻力的情況下顯著提高過濾效率，從而解決通風過濾的應用需求。

在該研究中，田恩澤等發展了一種靜電增強顆粒物過濾裝置（EAA，如下圖），通過電暈放電預荷電顆粒物，并通過平行電極極化粗效纖維過濾材料，增加顆粒物和纖維之間的靜電作用力，實現顆粒物的高效率、低阻力、大容塵量去除。

負載聚多巴胺（PDA）和不負載PDA的普通市售PET過濾材料，以及市售通風過濾器相比，減阻顯著：

研究中，通過在PET粗效過濾纖維上原位負載PDA，調控過濾纖維表面的電學特性和微結構（如下圖），使得過濾纖維對極化電場具有更強的靜電響應能力和顆粒物保持能力，可以從空氣中選擇性地捕獲和鎖定荷電顆粒物，而不增加對氣體分子流動的阻礙，實現在不明顯增加阻力的情況下顯著提高過濾效率。

除了初始性能優異，該EAA PDA-140@PET過濾裝置在長達30天，每天運行8小時的長期工況中表現出穩定的高過濾效率（對0.3、0.5和1 μm顆粒物的平均過濾效率分别為98.63%、99.04% 和99.83%）。EAA PDA-200@PET在30天内集塵量達到173.9 g/m²（如下圖），與過濾材料自重(187.9 g/m²)相當，從而可以有效解決通風過濾的實際應用需求。

該研究還詳細闡述了EAA裝置的設計原則和過濾材料選擇标準（如下圖）：依據單極子捕獲距離RMC将EAA粗效過濾的機制分為三個階段。其中R_MC取決于顆粒物荷電量q_p、極化電壓U₂、和纖維材料的介電/熱電/異質性等，較大的R_MC意味着顆粒能夠經過較大的孔徑（以較低的空氣阻力）被纖維捕獲。當顆粒到達纖維表面後，具備抗靜電性能、強附着力和粗糙表面的過濾纖維将顆粒物牢固粘附，實現長期穩定高效率和大容塵量過濾顆粒物。

【主要作者beat365】

田恩澤，beat365建築技術科學系博士，緻力于發展具有靜電響應的超低阻過濾技術。

莫金漢，beat365建築技術科學系長聘副教授。研究方向為室内空氣組分的界面傳遞與分離。

徐桂銀，麻省理工學院博士後。研究方向為功能纖維與隔膜材料在綠色能源與環境修複中應用。

李巨（Ju Li），美國麻省理工學院終身教授。入選美國物理學會（APS）、材料研究學會（MRS）、美國科學促進會（AAAS）會士等，并入選湯森路透/科睿唯安全球高被引科學家。

【引用格式】

Enze Tian, Qipeng Yu, Yilun Gao, Hua Wang, Chao Wang, Yinping Zhang, Baohua Li, Meifang Zhu, Jinhan Mo*, Guiyin Xu*, Ju Li*, Ultralow resistance two-stage electrostatically assisted air filtration by polydopamine coated PET coarse filter, Small, 2021, 17, 33: 2102051. (DOI: 10.1002/smll.202102051)

原文鍊接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102051

供稿：田恩澤