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。

静电纺丝FeP2/P/C纳米纤维异质结用作高性能锂/钠离子电池的自支撑负极材料

DOI: 10.1016/j.electacta.2021.139682

FeP2和P具有较高的理论容量，是很有前途的锂离子和钠离子储存负极材料。但较差的导电性和严重的体积膨胀限制了其实际性能。在此，研究者制备了一种由直径为150.0-200.0nm的FeP2、P和C异质结构纳米纤维组成的柔性自支撑负极材料（命名为FeP2@CNs-700）。分散良好的FeP2纳米粒子和无定形磷被限制在碳纳米纤维骨架中，这增强了材料的电子/离子传输和结构稳定性。因此，FeP2@CNs-700显示出高容量（在0.1A/g时锂离子电池的容量为1132.2mAh/g，在0.1A/g时钠离子电池的容量为680.8mAh/g），优异的循环稳定性（500次循环后LIBs在0.5Ag下的容量保持率为84.6%，400次循环后SIBs在1.0A/g下的容量保持在300.1mAh/g），出色的倍率性能（锂/钠离子电池在10.0A/g高电流密度下的对应值分别为461.2/227.9mAh/g）以及较高的初始库仑效率（LIBs为87.3%，SIBs为74.5%），是一种有希望的高容量负极候选材料。

图1.（a）Fe@CNs-700和（b）FeP2@CNs-700的扫描电子显微镜（SEM）图像。（c,e）FeP2@CNs-700的透射电子显微镜（TEM）图像。（d,f）FeP2@CNs-700的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。（g）FeP2@CNs-700的超级能量色散X射线光谱（EDS）。

图2.（a）Fe@CNs-700和FeP2@CNs-700的X射线衍射和（b）拉曼光谱。（c）Fe@CNs-700和FeP2@CNs-700的热重（TG）分析。

图3.（a）FeP2@CNs-X（X=600/700/800/900）的倍率性能。（b）FeP2@CNs-700、FeP2@CNs-800和FeP2@CNs-900在0.5A/g电流密度下的长期循环性能（CE：库仑效率）。

图4.（a-c）FeP2@CNs-700的X射线光电子能谱（XPS）（分别在0.1A/g下首次充电/放电至2.7/0.02V）。

图5.（a）FeP2@CNs-700在0.02-2.7V范围内于0.1mV/s下的代表性循环伏安（CV）曲线（初始CV曲线）。（b）FeP2@CNs-700电极在0.1A/g时的初始放电-充电曲线，（c）FeP2@CNs-700电极在特定峰值电流下的Log（i）与log（v）曲线。（d）FeP2@CNs-700电极在第二个循环中的离子扩散系数。

图6.（a）全电池（LiFePO4为正极，FeP2@CNs-700为负极）的循环稳定性。（b）全电池的充放电曲线（1.5-4.3V），（c）组装全电池的照片。

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