空气污染问题引起了全世界的广泛关注。然而，现有的空气过滤材料仍然存在结构单一以及在PM截留和透气性之间进行权衡取舍的问题。

近期，东华大学丁彬教授&刘晓艳教授&刘书德研究员团队通过分层相分离策略，设计了一种以蜘蛛网为灵感的复合膜，该膜在电纺膜支架的纳米纤维上紧密焊接了连续的单层结构2D纳米网络。由此产生的仿生分层结构膜（BHSM）呈现出2D超细网络分层多尺度结构，这种超细网络由纳米颗粒自组装的直径为31nm的纳米线组成，具有平均孔径小、网络厚度极低、孔隙率高、孔道连通性好等特点，还结合了丰富的表面极性官能团（3.02D偶极矩）。该复合膜的PM0.3捕获效率高达99.6%，压降低至58.8Pa，小于大气压的0.06%，具有出色的PM2.5长期循环过滤性能。分级相分离驱动的2D纳米网络构建策略，凭借其可行性和可调性，有望在不同膜的空气过滤相关领域得到广泛应用。

图1.（a）描述天然蜘蛛网及其孔隙结构的一系列光学图像。（b）用于空气过滤的蜘蛛网等效模型。（c）BHSM的制造过程示意图。显示BHSM二维纳米网络结构的显微照片（d,e）。（f）BHSM与PVDF NFM的平均孔径和孔隙率比较。（g）使用BHSM作为空气过滤器的过滤方式，包括粘附和筛分。

图2.用浓度为a）0.05、b）0.1、c）0.3和d）0.5wt%的PVB溶液制备的BHSM的FE-SEM图像。25℃时PVB-乙醇-H2O的三元相图（e）和LCP曲线（f）。该示意图直观地展示了高度纠缠链（g）、孤立链（h）和由此产生的网络结构之间的连接。

图3.（a）二维纳米网络结构的形成示意图。（b）PVB单体的分子模型。（c）PVB聚合物和（d）PVB纳米粒子的自组装过程示意图。

图4.（a）PVB二维纳米网络中的纳米线直径分布。BHSM与PVDF NFM基底的孔径（b）和拉伸应力-应变曲线（c）比较。（d）显示独立BHSM强大柔韧性的光学图片。（e）BHSM在连续拉伸载荷下逐渐变形的示意图。（f）有无BHSM覆盖的照片。（g）BHSM与PVDF NFM的润湿性比较。（h）PVB纳米网络润湿性反转示意图。

图5.（a）BHSM空气过滤器在不同气流速度下的过滤性能。（b）BHSM空气过滤器长期回收并将PM2.5水平从500降低到35μg/m3的持续能力。（c）各种空气过滤材料去除PM2.5能力的比较分析。（d）BHSM空气过滤器在典型环境中5天的持续过滤效果。（e）纤维-PM相互作用机理和（f）使用PVB 2D纳米网络的气流滑移效应机制示意图。以BHSM为核心功能层的空气过滤产品的光学图像包括（g）滤芯、（h）窗纱和（i）面罩。

该工作以“Engineering self-assembled 2D nano-network membranes through hierarchical phase separation for efficient air filtration”为题发表在《Journal of Colloid and Interface Science》（DOI:10.1016/j.jcis.2023.12.014）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.12.014