田恩泽副研究员Engineering: 突破“材料瓶颈”：基于传质强化的室内空气净化技术

2025年7月，中国工程院院刊Engineering杂志（影响因子：11.6）在线刊登了课题组的综述文章：Advancing indoor air purification by mass transfer enhancement: Bridging the gap between high-performance materials and technologies. (https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.07.003)

【背景介绍】

随着高性能材料的快速发展，室内空气净化技术不断向高效、低耗、多功能方向演进。然而，目前研究大多聚焦于提升材料的吸附性能和孔隙特征，对污染物从空气中迁移至材料表面的质量传递过程重视不足，导致净化效率提升受限、能耗问题突出。室内环境中的污染物浓度普遍较低，其传输过程通常受到流动扰动弱、扩散驱动力不足、材料结构限制等因素影响。该背景下，构建以质量传递强化为核心驱动、以材料-结构-外场协同为实现路径的系统设计理念，成为实现高性能净化系统从“材料性质驱动”向“净化性能驱动”转变的关键。

【成果介绍】

本文系统综述了近20年来课题组在空气净化方向的研究工作，主要包括：提出并验证了一种以“质量传递增强”为核心的空气净化系统设计框架，建立了涵盖污染物传输、界面行为与材料反应之间协同机制的多尺度模型，并通过一系列实验验证了在颗粒物捕集与气态污染物吸附方面的传质强化路径。

(1) 构建了“质量传递主导”的空气净化性能评价与设计模型

针对传统空气净化研究中普遍重视材料性质、忽视质量传递过程的问题，课题组提出“外场强化传质-材料协同优化”的空气净化设计新思路，建立了净化系统性能与传质参数之间的定量关系。如图1所示，基于传质单元数（NTUₘ）模型，我们提出室内空气净化中最关键的洁净风量（CADR）可由三个核心无量纲参数共同决定：一是无量纲特征传质面积A*，二是传质Stanton数St_m，表征气流与界面间的传质强度；三是与材料性质相关的无量纲系数η，反映材料内部传质或反应能力。研究明确了这三者在CADR表达式中具有相等权重，揭示优化空气净化效率不仅依赖材料吸附/反应活性，还高度依赖于界面接触面积和传质强度。模型进一步指出，在材料性能提升有限的前提下，通过增加界面扰动（如表面结构、流场重构）、放大A*（如蜂窝结构、肋条结构）或调控η值（如孔径优化、极性调控）均可实现显著CADR提升。这一理论体系为后续结构优化、外场增强与材料选择提供明确方向。

(2) 建立了静电增强机制，实现亚微米颗粒物高效低阻过滤

针对传统纤维滤材在高过滤效率与低阻力之间难以兼得的问题，课题组提出一种双荷电静电增强过滤策略，即“EAA过滤技术”。该系统通过上游电晕放电对空气中的颗粒物荷电；下游采用平行孔板电极对介电纤维构建静电场，诱导纤维表面产生极化电荷，形成强库仑吸附力场。利用显微CCD系统原位观察颗粒迁移行为，结果表明，在5 kV电场强度下，颗粒向纤维表面迁移速度较无电场下提升了5倍，显著提高了界面捕集效率。同时，在典型室内通风风速（0.4 m/s）条件下，EAA技术可实现PM_0.3-0.5颗粒去除效率达99%以上，阻力低于15 Pa，显著低于市售同效率等级滤材1-3个数量级（图2a）。考虑电耗因素后引入综合质量因子（CQF）指标，统计结果显示发展电响应纤维材料和优化流-电场耦合结构是进一步提升EAA技术效能的重要方向（图2b）。

(3) 设计并构建了多尺度吸附结构，提升气态污染物的去除效率

在气态污染物净化方面，课题组聚焦于“低浓度气体吸附速率慢、内部扩散受限”的核心问题，提出通过结构诱导的多尺度传质增强策略构建高性能吸附模块。研究采用直接墨水打印（DIW）技术结合牺牲模板法，构建包含毫米级通风通道、10–100 μm级中孔网络和<100 nm的微孔骨架的多尺度结构吸附板（SHARP，如图3）。该结构在宏观层面提供高通量气体通道，降低压力损失；在介观层面构建短程扩散路径；在微观层面保持高比表面积与吸附位点密度。实验以甲醛与二甲苯为代表物，验证了该结构在实际通风速率（0.8 m/s）下的吸附性能。结果表明：SHARP结构吸附板的一次通过去除效率提升至82%，较传统颗粒床提升约37%；动态吸附容量达8.6 mg/cm³，较同类吸附材料提高152%。此外，通过引入激光刻蚀制备的垂直穿孔通道与肋条结构，进一步提升了St_m值，有效维持气-固界面的浓度梯度。该吸附结构具备高效率、低压降、模块化可扩展等优势，适用于高洁净、高通量等复杂场景中的VOCs净化。

【成果小结】

本文系统综述了近20年来课题组在空气净化方向的研究工作：以增强室内空气净化效果为目标，以质量传递过程为核心，系统构建了颗粒物与气态污染物协同净化的多尺度增强设计方法。通过结合静电增强、多尺度孔道构建等策略，显著提高了污染物在净化系统中的传质效率与去除效果。实验表明，EAA过滤器中颗粒物迁移速度可较无静电增强情况提升约5倍，风阻下降至商用过滤材料的1/10-1/1000量级，综合质量因子提升1个数量级；SHARP吸附模块中，气态污染物的一次通过去除效率和动态吸附容量分别提升了37%和152%。上述研究突破了传统“材料性能优先”的设计思路，为新型高效、低能耗、适应复杂环境的室内空气净化系统提供了理论基础与工程路径，具有广泛的研究与应用推广价值。

【作者介绍】

田恩泽副研究员，松山湖材料实验室

该论文的第一作者是本课题组2021届博士毕业生田恩泽，现为松山湖材料实验室副研究员。田恩泽博士致力于“物理场和新材料协同传质调控及其在高品质建筑环境中的应用”，主持了国家自然科学基金青年基金项目、联合基金项目子课题、中国博士后面上项目等项目。发表和接收SCI论文45篇，其中第一/通讯作者23篇，篇均影响因子10.9，包括Chem Soc Rev（IF: 39）、Adv Funct Mater（IF: 19）、Adv Fiber Mater（IF: 21.3）、Engineering（IF: 11.6）、Small（IF: 12.1，封页论文）等，SCI他引900余次，H因子23（Google Scholar）。已授权发明5项、实用新型21项，已转化专利1项。

本文通讯作者为深圳大学土木与交通工程学院莫金汉教授，共同作者包括清华大学建筑技术科学系已毕业博士：陈其威、高轶伦、陈着、汪琰。

本文引用格式

Tian EZ, Chen QW, Gao YL, Chen Z, Wang Y, Mo JH*. Advancing indoor air purification by mass transfer enhancement: Bridging the gap between high-performance materials and technologies, Engineering, 2025. https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.07.003

该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52325801, 52408122）、深圳市自然科学基金项目（项目号：JCYJ20240813143502004）和广东省基础与应用基础研究基金 (项目号：2022A1515110897)的资助，特此致谢。

原文出处：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.07.003

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