陈着博士J. Hazard. Mater.: 基于DIW打印技术和牺牲模板法制备具有多尺度孔隙结构的碳质膜，以实现室内甲醛高效去除

2025年4月5日，《Journal of Hazardous Materials》杂志（中科院1区，IF：12.2）刊登了课题组陈着博士的最新成果：Tuning multi-scale pore structures in carbonaceous films via direct ink writing and sacrificial templates for efficient indoor formaldehyde removal. (https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.137203)

【Graphical Abstract】

【背景介绍】

近年来，室内挥发性有机化合物（Volatile organic compounds，下文简称VOC）污染问题因其对人类健康的严重危害及引发的巨大经济损失，引起了社会各界的广泛关注。众多研究表明，VOC污染与慢性毒性密切相关，增加了人体患严重疾病的风险，其中甲醛更是被世界卫生组织列为一级致癌物。吸附技术作为去除室内甲醛的常用手段，往往受到效率低下和吸附容量不足的双重制约，在实际室内环境中的应用受限。
针对这一研究短板，本文研发了一种具有多尺度孔结构的碳质网状吸附膜，旨在高效去除室内甲醛。通过优化界面传质和内部扩散过程，本研究在吸附膜表面设计了宏观至介观尺度的网格结构，并在吸附材料内部构建了微米至纳米尺度的孔隙。这些结构分别通过直接墨水书写（Direct ink writing，下文简称DIW）打印技术和牺牲模板法制得。该吸附膜在甲醛净化方面展现出卓越的性能和长期稳定性，其吸附容量和能耗表现相较于文献报道技术和市售产品具有明显优势。

【核心内容】

(1) 基于传质分析，确定了吸附膜表面和内部的多尺度孔隙结构优化策略

通过对VOC吸附过程的传质模型构建和理论分析，提炼出了关键无量纲参数A*·Stm和Di*，用以量化界面传质强度和内部扩散能力。在此基础上，本文提出了结构优化策略：一方面，在吸附膜表面构建宏观至介观尺度的网格结构，以提升A*·Stm参数；另一方面，在吸附膜内部生成微米至纳米尺度的孔隙，以提高Di*参数。

图1. VOC在室内吸附模块中的吸附传质过程示意图及其关键参数提炼
图2. 吸附膜制备流程示意图、实物图和内部多尺度孔隙结构SEM表征图

(2) 通过结合DIW打印与牺牲模板法，成功制备具有多尺度孔隙结构的吸附膜，其甲醛净化性能优异

通过DIW打印与牺牲模板法的结合，本研究成功实现了吸附膜的多尺度孔隙结构，展现出在各种湿度条件下优异的甲醛去除性能。相较于未改性的平面吸附膜，该膜的甲醛初始净化效率从68.1%提升至89.0%，有效吸附容量（EACad）从2.74 mg/g增加至8.60 mg/g。在不同湿度条件下，该膜的EACad为9.22-10.4 mg/g，显示出良好的湿度适应性。采用热再生技术，吸附膜可连续稳定运行30天，中位衰减率小于8%。经过30个循环的累积总吸附容量达到约241.7 mg/g，远超现有报道的甲醛净化技术。

图3. 多尺度孔隙结构吸附膜对甲醛的净化能力受自身孔隙结构及不同湿度条件影响分析
图4. 多尺度孔隙结构吸附膜对甲醛的30天长期净化性能及其稳定性分析

(3) 相较于文献报道技术和市售产品，本研究吸附膜展现了较好的甲醛净化性能

对比文献报道的物理及化学吸附技术和商业产品，本研究提出的多尺度孔隙结构吸附膜实现了近乎最佳的甲醛净化效率和吸附容量。与文献相比，该吸附膜在甲醛净化能力上位居物理吸附和化学吸附各组之首。特别是在本研究中应用的气流速率远高于其他研究，显示出其卓越的空气净化性能和实际应用潜力。与市售空气净化器相比，该吸附膜的总能耗最低，仅为每天0.37千瓦时，同时具备优异的甲醛净化性能。

图5. 多尺度孔隙结构吸附膜对甲醛的净化性能提升归因，及其与文献报道技术和市售产品的性能对比

【成果小结】

本研究提出了一种新型的具有多尺度孔隙结构的碳质网状吸附膜，该膜在甲醛净化方面展现出了卓越的净化效率和吸附容量。本文引入了无量纲参数A*·Stm和Di*，进而量化界面传质强度和内部扩散对污染物去除性能的影响程度。在最优A*·Stm和Di*参数的指导下，本研究结合DIW打印技术和牺牲模板法，成功构建了吸附膜中的多尺度孔隙结构，实现了吸附膜对甲醛净化性能的显著优化。利用热再生技术，该吸附膜在超过250小时的长期实验中保持了30天的稳定运行。相较于文献报道技术和市售产品，本研究吸附膜实现了近乎最佳的甲醛净化性能。这一创新设计和制造的多尺度吸附膜，不仅为室内甲醛净化提供了关键的技术支持，也为碳捕获和气体分离技术开辟了潜在路径。

【作者介绍】

陈着：清华大学建筑技术科学系博士/香港理工大学土木与环境工程系博士后

该论文的第一作者是本课题组2023届博士毕业生陈着，现为香港理工大学土木及环境工程学系博士后。陈着博士致力于研究室内气态污染物在室内表面（包括气载颗粒物表面）之间的界面传递机制，已在Journal of Hazardous Materials, Building and Environment, Construction and Building Materials等国际著名期刊发表论文17篇（第一/通讯作者论文10篇），申请发明专利2项，曾在2019年全国室内环境与健康大会获Best Poster Award。

本文通讯作者为深圳大学土木与交通工程学院特聘教授莫金汉。共同作者包括中国建筑一局建设发展公司陈其威博士、香港理工大学土木及环境工程学系李源博士、清华大学建筑技术科学系博士研究生汪琰、邹武威等。

本文引用格式

Chen, Z., Chen, Q., Wang, Y., Zou, W., Li, Y., Mo, J., Tuning multi-scale pore structures in carbonaceous films via direct ink writing and sacrificial templates for efficient indoor formaldehyde removal. Journal of Hazardous Materials, 2025, 487, 137203.

该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52325801）资助，特此致谢。

原文出处：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.137203

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