2024年6月，Separation and Purification Technology杂志(中科院工程技术1区Top)在线刊登了课题组的研究文章：Electric-field activating on-surface tailored (OST) coarse polyester fibers for efficient airborne particle removal: Interfacial morphologies and electrical response：电场激励下的界面修饰策略(e-OST)提升聚酯纤维空气过滤性能：表面形貌与静电增强效应。
【Graphical Abstract】
【背景介绍】
如何克服纤维过滤器效率、阻力、容尘量的本构限制关系是空气过滤的核心难题。本工作介绍了一种电场激励下的界面修饰(e-OST)策略，分析了荷电颗粒物在单根极化纤维表面的传递规律与静电力参数；成功制备了一系列表面负载的聚酯纤维过滤器(x@PET)；建立了评价该修饰策略收益-代价的通用无量纲参数。通过颗粒物荷电-纤维极化电场激励，同时提升纤维表面粗糙度与静电势，实现了高效、低阻、长期性能良好的颗粒物过滤，在表面修饰涂层厚度仅为纤维间距千分之一的情况下，可实现纤维过滤品质因子50倍以上的提升。
【核心内容】
(1) 解析了荷电颗粒物在极化纤维表面运动的主导作用力——库仑力
提出了以提升纤维表面粗糙度与静电势为目标的界面修饰策略以提升过滤性能，应用该策略，在极化电场下，介电纤维表面形成局部感应电场可驱动颗粒物加速运动，实现效率提升；此外，仅改变纤维的表面性质而不破坏其蓬松结构，可以维持粗效基材的阻力特性(如图1)。
(2) 复合纤维的制备
以聚酯PET纤维为基材，通过液相反应，制备了7种形貌各异的复合纤维(下称“系列纤维”)，分别为：酸蚀PET，氧化锰、氧化钛、聚多巴胺、聚偏二氯乙烯、氧化锰-聚多巴胺、氧化钛-聚多巴胺负载PET，液相合成无基材选择性。利用SEM-EDS、XPS、XRD、TGA等定量、半定量表征手段研究了表面负载的物理化学性质(如图2、3)。
(3) 系列纤维的性能测试
在1 m/s过滤风速下，系列纤维对0.3–0.5微米氯化钠颗粒初始不加电过滤效率仅为12.5–21.2%，基材仅为5.3%，提升相对有限；电场激励下，系列纤维实现最高过滤效率达91.8–97.7%，体现了表面修饰纤维在电场下的性能强化效应(如图4)。此外，以基材阻力-效率为基准，定义了无量纲归一化阻力系数ξe/ξ0与无量纲归一化单纤维效率ηs/η0评价系列纤维(如图5)，优选出高收益的聚多巴胺负载纤维(PDA@PET)与氧化锰-聚多巴胺负载纤维(MnOx-PDA@PET)。例如，MnOx-PDA@PET归一化阻力系数为1.18，归一化单纤维效率提升倍数可达2.81，实现在维持低阻特性基础上强化过滤性能。
(4) 纤维表面的形貌表征
采用原子力显微镜KPFM模式对优选纤维表面进行表征，确定其表面粘附性质与静电势与基材相比均有大幅提升（如图6）。对优选的MnOx-PDA@PET进行长期性能测试，其25天0.3–0.5 μm氯化钠颗粒物平均过滤效率达95.6%，扫描电镜观测到表面颗粒物粘附形貌，体现了纤维修饰表面良好的持尘能力(如图7)。
【作者介绍】
高轶伦：清华大学建筑技术科学系博士生
该论文的第一作者为清华大学建筑技术科学系博士生高轶伦，他致力于空气颗粒物净化技术、过滤纤维材料制备、电场强化传质相关研究，已在J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Tech., ACS ES&T Eng.等期刊发表一作论文5篇，以第一完成人申请发明专利2项，授权实用新型专利1项。
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。苏黎世联邦理工大学(ETH Zurich)环境工程学院Jing Wang教授、松山湖材料实验室田恩泽副研究员、香港理工大学博士后陈着博士参与了这项工作。
本文引用格式
Gao YL, Wang J, Tian EZ, Chen Z, Mo JH*, Electric-field activating on-surface tailored (OST) coarse polyester fibers for efficient airborne particle removal: Interfacial morphologies and electrical response, Separation and Purification Technology, 2025, 353, 128291.
该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52325801, 52078269）资助，特此致谢。
原文出处: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128291
相关阅读
- 陈着博士Sci. Total Environ.: 室内环境中SVOC有机膜的形成动力学分析及其对儿童暴露的影响
- 陈着博士Build. Environ.: 邻苯二甲酸酯(DEHP)在室内空气悬浮颗粒和道路尘表面的分配机理和有机膜形成过程
- 2023年科研总结
- 博士生陈其威Chem. Eng. J: 通过直接喷墨印刷和碳酸铵处理强化VOC吸附薄层的内部扩散
- 博士生刘锡慧Building Simulation: 一种新型的微型静电式颗粒物采样器
- 博士生高轶伦: 一种两步级联式空气电离器提升静电过滤能效
- 博士生陈其威Small Methods: 直接墨水3D打印应用在气相吸附/催化传质增强中的最新进展和展望
- 田恩泽博士获中国博士后科学基金面上项目资助
- 田恩泽博士Build. Environ.: 静电力强化颗粒物过滤技术在建成环境中的实验研究现状与展望
- 博士生高轶伦J. Hazardous Materials: 聚多巴胺界面调节的静电响应过滤纤维，实现高效的颗粒捕获和臭氧去除
- 再见2022，画一个句号
- 课题组申请的国际专利已授权
- 硕士生顾宇挺Separation and Purification Technology：新型可折叠的静电增强过滤模块
- 博士生汪琰Journal of Building Engineering: 室内环境因素对管式被动采样器甲苯采样速率的影响
- 博士生高轶伦Applied Materials Today: 利用静电增强效应提升纤维过滤性能：机理、制备与电学特性
- 博士生陈其威J. Hazardous Materials: 亚毫米表面形貌的吸附薄层
- 团队2021年工作回顾
- 博士生陈其威获SuDBE2021最佳学生报告一等奖
- 博士生高轶伦获IEHB2021优秀学生论文奖
- 祝贺田恩泽博士的工作被清华大学分别在英文媒体平台Facebook和Twitter上介绍
- 博士生陈着J. Hazardous Materials: PAEs在不可渗透表面的液膜形成规律
- 博士生高轶伦ACS ES&T Engineering: 具有高介电涂层的粗效纤维协同去除超细颗粒物与臭氧
- 田恩泽博士Small：在粗效纤维上原位生长聚多巴胺，实现颗粒物的高效、低阻过滤
- 田恩泽获“国际期刊Energy and Built Environment（EBE）学术新人奖-优秀博士研究生奖”
- 博士生陈其威Building and Environment：原位热再生吸附薄层模块对室内VOCs吸附行为的实验与模拟研究
- 博士生夏凡轩Separation and Purification Technology:在泡沫金属中快速深度制备纳米纤维，具备高效颗粒物过滤和阻燃性能
- 博士生陈其威Environmental Research: 激光蚀刻制备纵向宏观通道以提升热再生柔性吸附薄层的有效吸附容量
- 团队2020年工作回顾
JMO Lab 