气流辅助无针静电纺丝制备高效空气过滤用方便面状卷曲纳米纤维膜

DOI: 10.1002/smll.202107250

颗粒物（PM）污染已成为当下一个严重的环境问题。据广泛报道，纳米纤维过滤器可有效去除污染空气中的PM。在此，研究者提出了一种高效轻质的PM空气过滤器，该过滤器采用由气流场和二次感应电场等辅助场组成的气流协同无针静电纺丝技术制备而成。与使用其他喷丝头的无针静电纺丝相比，其显著提高了纤维空气过滤器的生产率、纤维直径和孔隙率。方便面状的纳米纤维结构也可以通过调节气流速度来进行控制。实验表明，该类空气过滤器具有较高的（2.5μm颗粒物）PM2.5去除效率（99.9%）和（0.3μm颗粒物）PM0.3去除效率（99.1%）、低压降（PM2.5为56Pa，PM0.3为78Pa），以及较大的容尘量（PM2.5最大值为168g/m2，PM0.3最大值为102g/m2）。同时，对所提出的PM过滤器进行测试，其适用于香烟烟雾和锯末等其他污染空气过滤。综上，对这种极具吸引力的纳米纤维结构的大规模合成展现了高性能过滤/分离材料的巨大潜力。

图1.气流协同无针静电纺丝（ASNE）技术和纳米纤维产物示意图。a）ASNE的3D示意图。b）通过横截面视图展示ASNE的内部结构。c）纺丝溶液的力分析及纺丝过程中聚合物射流的演变。d）沉积在PP无纺布上的PVA纳米纤维的数字图像。插图为侧视图数码照片。e）由ASNE制造的PVA纳米纤维的SEM图像。f）PVA和PP样品横截面的SEM图像。插图为横截面的放大图像，展示出混乱的结构。

图2.灵感产生过程和工程化纳米纤维。a）方便面以及方便面和面粉的SEM照片。b）在不同气流速度下针式静电纺丝和ASNE工艺中聚合物射流的视频说明。c）与（b）相关的不同气流速度下的欧姆流动长度。d）在不同气流速度下制造的纳米纤维的曲率。插图为计算说明。e）在不同气流速度下，通过针式静电纺丝和ASNE制备的PVA纳米纤维的SEM图像和相应的纤维直径分布图。

图3.空气过滤性能。采用针式静电纺丝和ASNE工艺制备的PVA纳米纤维膜的a）空气过滤效率、b）压降、c）品质因数和d）容尘量，使用0.3µm颗粒物进行测试。采用针式静电纺丝和ASNE工艺制备的PVA纳米纤维膜的e）空气过滤效率、f）压降、g）品质因数和h）容尘量，使用2.5µm颗粒物进行测试。

图4.a）在同一环形框架上具有不同基重的空气过滤器的数字图像。b）在PM2.5过滤介质下，过滤效率和压力随着基重的变化而变化。c）在PM2.5过滤介质下，品质因数随着基重的变化而变化。d）在PM2.5过滤介质下，将这种纳米纤维过滤器与其他过滤器进行比较。e）在PM0.3过滤介质下，过滤效率和压力随着基重的变化而变化。f）在PM0.3过滤介质下，品质因数随着基重的变化而变化。g）在PM0.3过滤介质下，将这种纳米纤维过滤器与其他过滤器进行比较。h）压降和过滤机制演变随着测试时间的变化而变化。i-k）不同状态下沉积在纳米纤维上的气溶胶颗粒的SEM图像。比例尺代表1µm。

图5.a）PVA纳米纤维交联前后的SEM图像。比例尺代表10µm。b）PVA纳米纤维膜交联前后的FTIR光谱。c）不同交联时间的PVA纳米纤维的水接触角。d）不同交联时间的PVA纳米纤维的空气过滤效率和阻力。

图6.a）不同纤维直径（300、200和100nm）的单纤维区域的速度分布模拟。b）具有不同连接结构的纤维区域的速度分布模拟：合并纤维、交叉纤维和卷曲纤维。

图7.a）室外过滤测试仪示意图。b）过滤后PVA纳米纤维膜的数字图像，以及过滤后PVA纳米纤维膜正面和背面的SEM图像。c,d）使用不同颗粒介质进行PVA纳米纤维膜过滤试验。e）2020年12月1日至2020年12月31日在中国成都进行的室外过滤测试。插图为延长周期测试的自动测试设置。f）PVA纳米纤维覆盖一般PP口罩的图片。g）不同流速下普通口罩和覆盖有PVA纳米纤维的普通口罩的过滤效率和阻力比较。

东华大学闫建华：静电纺丝技术制备具有可调几何结构的分层多孔碳纳米纤维

DOI: 10.1021/acsami.1c12302

多孔碳纳米纤维（PCNFs）具有丰富的离子、分子和纳米粒子传输通道，但对其多孔结构的控制仍然是一项挑战。在本研究中，以聚四氟乙烯为孔模板，硼酸为交联剂，聚乙烯醇和聚氨酯为双碳前体，通过一种可扩展的静电纺丝技术制备了具有可调几何形状和大/中/微孔结构的柔性PCNF。在水溶剂中，带负电的模板与带正电的碳前驱体交联，形成用于静电纺丝的稳定溶胶。通过改变这些前体的质量比，电纺杂化纳米纤维在碳化后直接转化为B-F-N-O掺杂的PCNFs，具有可调节的大孔、中孔和微孔。单根PCNF的孔隙率高达85%，孔体积可在0.23至0.58 cm3·g-1之间调节。当使用独立的PCNF薄膜构建高硫含量（86wt%）电极时，具有丰富电活性位点的多孔结构为聚阴离子提供了快速通道，并对多硫化物具有较强的化学吸附，从而产生了良好的电化学性能。本文所报告的策略为合成多用途的分层PCNFs提供了新的视角。

图1.材料制备过程示意图。使用通用静电纺丝技术以及随后的预氧化和碳化工艺来制备具有丰富缺陷和分层大/中/微孔的柔性PCNF的示意图。

图2.材料表征。（a-c）不同PCNFs的扫描电子显微镜（SEM）图像和（d,e）N2吸附-解吸等温线。（f）不同孔隙的体积分数。（g）不同PCNFs的微孔面积和外表面积。（h）不同PCNFs的累积孔体积和（i）平均孔径。

图3.分层孔隙形成机理及材料表征。（a）使用分子设计策略在PCNFs中形成分层多孔结构的概貌。（b）PCNF薄膜的横截面SEM图像和数码照片。（c）PCNFs的表面形态，（d）TEM图像和（e）EDS映射光谱。（f）PCNFs的N1s和（g）B1s XPS光谱。

图4.Li-S电池的电化学性能分析和化学吸附机理。（a-b）多硫化物在H型电池中渗透的捕获照片，该电池以PCNF薄膜为隔膜。（c）在0.1mV·s-1下进行五次循环的连续CV测试。（d）0.5C下的恒电流放电和充电曲线。（e）循环前和在0.5C下循环50次后电池的EIS谱。（f）0.1至4C的额定容量。（g）在2C下进行200次放电和充电循环的长期稳定性测试。（h）多硫化物在具有独特多孔结构和缺陷的PCNF笼中的强化学吸附示意图。

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