细颗粒物（PM0.3）是最容易穿透呼吸系统深部的空气污染物之一，可随吸入气体进入肺泡，甚至可能通过气血屏障进入血液，对人体健康构成潜在威胁，与多种呼吸系统疾病密切相关。目前常见的空气滤材主要由聚酯（PET）、聚丙烯（PP）等石化基材料制备而成，尽管过滤效率较高，却难以降解、带来严重环境负担。而将农业废弃物转化为绿色、高性能滤材，对于发展农村经济、助力于双碳目标的实现具有重要的现实意义。
近日，东北林业大学韩广萍团队利用农业残余物（玉米蛋白和玉米秸秆纤维素），通过静电纺丝构建出一种微米-纳米纤维交织的双网络滤材。该滤材不依赖任何石化聚合物与有毒溶剂，实现PM0.3高去除效率（99.9994%）和低压降（45 Pa），并可在自然环境中完全降解。相关成果以“Sustainable Biomass-based Filter for High-efficiency PM0.3 Filtration”为题，发表于《Nature Communications》。东北林业大学博士生研究生王庆香为论文第一作者。东北林业大学韩广萍教授、程万里教授、王栋副教授/东华大学丁彬教授、张世超研究员/南京林业大学岳一莹副教授/清华大学危岩教授为共同通讯作者。
1、全生物质设计，实现从自然到自然的闭环循环
该滤材由玉米蛋白（Zein）与来源于秸秆的纳米纤维素（CNFs）协同构建，二者均为天然可降解组分。其制备过程仅在乙醇-水体系中完成，无需添加任何有毒有机溶剂、金属盐或表面活性剂，确保滤材绿色、安全、环保。相较于传统石化基滤材，该材料在使用后可在自然环境中无害、快速降解，无需回收，真正实现“从自然来、回自然去”的全生命周期绿色闭环。
图1 | 玉米基电纺纤维的可持续制备策略、纤维形成机制及双网络（D-net）结构 (a) 促进绿色、循环和低碳发展的设计理念示意图。 (b) 动态溶剂交换驱动的不完全非溶剂诱导相分离过程。 (c) 基于管状纤维模型的溶解度控制向内收缩机制示意图。 (d) CNFs与玉米蛋白黏弹性失配驱动的射流分裂行为。 (e) D-net结构示意图。 (f) 由微米纤维和纳米纤维组成的玉米基D-net结构SEM图像。 (g) 本研究与先前报道的各类技术制备滤材的PM0.3过滤效率及压降对比。
2、不完全相分离诱导沟槽-细纤双网络，提升PM0.3拦截性能
为调控纤维的微观结构，团队设计了一种基于动态溶剂交换行为的不完全非溶剂诱导相分离（incomplete NIPS）方法。在高湿环境中，乙醇在射流表面迅速挥发，水汽则从外界缓慢渗入射流内部，使溶剂体系在径向上形成浓度梯度。与传统“接触即分相”的NIPS不同，该溶剂分布推动了由外向内的渐进式相分离过程，不会立即达到玉米蛋白析出的临界阈值。随着溶剂梯度的逐步形成，纤维表面发生了缓慢且非对称的凝固过程，皮层区域因内外应力差异发生塌陷，内部溶剂滞留进一步引发负压与径向应力，最终生成表面带有沟槽结构的微米级纤维（平均直径约2.6 ± 1.1 μm）。与此同时，加入的纳米纤维素（CNFs）显著增强了体系的粘弹性和剪切响应，促使主射流发生劈裂，生成平均直径约290 ± 180 nm 的纳米纤维。两种尺度的纤维协同组装，形成微米沟槽纤维与纳米纤维交织的双网络结构（dual-network, D-net），为滤材实现超高效PM0.3过滤提供结构基础。
扫描电镜与共聚焦结果表明，CNFs引发的粘弹性差异使粗纤维表面形成更深的沟槽，增强颗粒嵌入与捕捉能力，并提升孔隙率，使滤材表现出优异的物理过滤与界面吸附双重能力。最终形成的D-net结构滤材呈现小孔径（1-4 μm为主，部分<1 μm），有效缓解传统过滤膜“拦不住最细颗粒”的难题。
图2 | 玉米基过滤膜的结构性能 (a-b) RH 90%条件下 (a) 纯玉米蛋白纤维与 (b) 玉米蛋白/CNFs复合纤维的SEM图像。 (c) D-net纤维的直径分布。 (d) 荧光标记玉米蛋白（FITC-zein）与CNFs（CW-CNFs）的D-net纤维CLSM图像。 (e) 玉米蛋白溶液与玉米蛋白/CNFs溶液黏度随蒸发时间的变化。 (f) CNFs、D-net纤维、玉米蛋白及原始玉米蛋白的FTIR光谱。 (g-h) 带状、棒状及D-net结构玉米基滤材的 (g) 孔隙率与 (h) 孔径分布。 (i) 带状结构（RH 30%）与棒状结构（RH 90%）纤维横截面SEM图像。
3、高效率、低压降：实现商业级超低穿透率标准
沟槽结构增强颗粒嵌入捕获，纳米纤维则提供密集吸附界面，协同构建出“嵌入+过滤+吸附”一体化机制。在5.33 cm s-1气流速度下，该D-net滤材可实现>99.999% PM0.3去除效率，压降仅45 Pa，符合超低穿透率空气过滤器（ultralow penetration air，ULPA）滤材标准。即使在16.6 cm s-1高流速下，仍能保持98.5%以上过滤效率。更重要的是，其结构中丰富的极性官能团（-OH, -C=O, -NH2等）赋予其优异的界面吸附能力，对小分子污染物甲醛展现出远超商用高效颗粒空气过滤器（high-efficiency particulate air，HEPA）滤材的捕获性能，单位质量吸附量达自身重量的1.26倍，形成了“结构过滤+界面吸附”协同增强机制。
图3 | 空气过滤与甲醛吸附的功能机制。 (a) 不同结构玉米基滤材的PM0.3过滤效率及压降（风速5.33 cm s-1）。 (b) 不同基重D-net滤材的PM0.3过滤效率及压降（风速5.33 cm s-1）。 (c) 不同风速下D-net过滤膜的PM0.3过滤效率及压降（基重11.6 g m-2）。 (d) 商用滤材与D-net滤材的过滤效率及压降对比。 (e) 玉米基D-net滤材与商用HEPA的甲醛吸附效率对比。 (f) 玉米基D-net滤材甲醛吸附相对增重随时间的变化。 (g) SEM图像展示玉米基D-net滤材的全结构过滤机制。
4、全生命周期绿色评估：2周完全降解，LCA显著优于石化滤材
为了全面评估该生物质基滤材的环境友好性，团队开展了涵盖原料采集、制备加工和废弃处置的全生命周期评估（life cycle assessment, LCA）。结果显示，玉米基滤材在多个关键环境指标上远优于传统的石化基滤材。与PET和PP滤材相比，玉米基滤材在温室气体排放上分别降低72.4%与66.9%，矿产资源消耗减少83.7%，人类非致癌毒性暴露风险降低超过75%。在陆地生态毒性、海洋富营养化等多个维度也明显优于传统滤材，全面体现了从原料获取到终端处置的环境优势。此外，该材料无需特别回收处理，弃置后可直接在自然环境中降解，在土壤中2周内完全分解，避免了焚烧或填埋产生的二次污染和能源浪费。
图4 | 玉米基滤材的环境可行性。 (a) 生命周期评估系统边界。 (b) 玉米基滤材与聚酯、聚丙烯及玻璃纤维滤材的环境影响对比。 (c-d) 尺寸15.5 cm × 7.5 cm玉米基滤材在不同环境中的降解：(c) 土壤环境，(d) PBS溶液环境。
总结：该团队提出了一种兼顾结构优化、绿色可降解性与高过滤性能的滤材设计策略，构建出基于农业废弃物的静电纺丝双网络结构滤材。这种源自农作物残余、制备过程无毒、使用后可自然降解的玉米基滤材，不仅在过滤效率上媲美甚至超越传统石化滤材，更在环境可持续性上实现了“从自然来、回自然去”的完整闭环，为后石化时代的空气过滤材料提供了现实可行的替代方案。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61863-2
第一作者简介
王庆香，东北林业大学木材科学与技术学科博士研究生，师从韩广萍教授。主要围绕静电纺丝生物质基过滤膜展开研究。以第一/共同第一作者在Nature Communications、Carbohydrate Polymers、Carbon期刊上发表论文3篇。目前作为公派联合培养博士生在新加坡国立大学（NUS）吴昌盛教授课题组从事研究工作。
