近日，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系莫金漢副教授、張寅平教授聯(lián)合美國麻省理工學(xué)院李巨教授團(tuán)隊(duì)，開展跨學(xué)科合作研究，利用多巴胺的自組裝效應(yīng)，對低成本的粗效纖維表面進(jìn)行電學(xué)特性和微結(jié)構(gòu)的雙調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了粗效纖維的過濾效率突破：對0.3μm顆粒物高達(dá)99.48%，且阻力低至9.5Pa。該研究以“Ultralow resistance two-stage electrostatically assisted air filtration by polydopamine coated PET coarse filter”為題，發(fā)表在Wiley雜志社旗下的Small上（DOI：10.1002/smll.202102051），并被選為Inside back cover。該論文的第1作者是清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系博士田恩澤，通訊作者是美國麻省理工學(xué)院李巨教授、徐桂銀博士和清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系莫金漢副教授。研究成果也被Wiley中文網(wǎng)站（MaterialsViewsChina@Wiley）報道：

https://www.materialsviewschina.com/2021/08/56187/

室內(nèi)外顆粒物污染嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響人民健康和生產(chǎn)生活，已成為社會關(guān)注的重要問題。在通風(fēng)系統(tǒng)中使用過濾器是減輕室內(nèi)顆粒物污染的有效手段，但通風(fēng)過濾技術(shù)的瓶頸問題是：高過濾效率、低阻力、大容塵量難以兼得。因此發(fā)展兼顧上述三者的空氣顆粒物過濾技術(shù)，對健康建筑環(huán)境營造和節(jié)能減排都具有重要意義。

現(xiàn)有研究的主要思路是圍繞納米材料等高成本、高級材料制備方法來提升過濾性能。該研究思路則繞開這一限制，基于低成本的粗效過濾材料，采用可大規(guī)模量產(chǎn)的清潔無污染方法對其進(jìn)行改造，通過增強(qiáng)材料表面的靜電響應(yīng)能力和保持顆粒物的能力，增大纖維與顆粒物之間的作用力，在不明顯增加阻力的情況下顯著提高過濾效率，從而解決通風(fēng)過濾的應(yīng)用需求。

在該研究中，田恩澤等發(fā)展了一種靜電增強(qiáng)顆粒物過濾裝置（EAA，如下圖），通過電暈放電預(yù)荷電顆粒物，并通過平行電極極化粗效纖維過濾材料，增加顆粒物和纖維之間的靜電作用力，實(shí)現(xiàn)顆粒物的高效率、低阻力、大容塵量去除。

負(fù)載聚多巴胺（PDA）和不負(fù)載PDA的普通市售PET過濾材料，以及市售通風(fēng)過濾器相比，減阻顯著：

研究中，通過在PET粗效過濾纖維上原位負(fù)載PDA，調(diào)控過濾纖維表面的電學(xué)特性和微結(jié)構(gòu)（如下圖），使得過濾纖維對極化電場具有更強(qiáng)的靜電響應(yīng)能力和顆粒物保持能力，可以從空氣中選擇性地捕獲和鎖定荷電顆粒物，而不增加對氣體分子流動的阻礙，實(shí)現(xiàn)在不明顯增加阻力的情況下顯著提高過濾效率。

除了初始性能優(yōu)異，該EAA PDA-140@PET過濾裝置在長達(dá)30天，每天運(yùn)行8小時的長期工況中表現(xiàn)出穩(wěn)定的高過濾效率（對0.3、0.5和1 μm顆粒物的平均過濾效率分別為98.63%、99.04% 和99.83%）。EAA PDA-200@PET在30天內(nèi)集塵量達(dá)到173.9 g/m²（如下圖），與過濾材料自重(187.9 g/m²)相當(dāng)，從而可以有效解決通風(fēng)過濾的實(shí)際應(yīng)用需求。

該研究還詳細(xì)闡述了EAA裝置的設(shè)計(jì)原則和過濾材料選擇標(biāo)準(zhǔn)（如下圖）：依據(jù)單極子捕獲距離RMC將EAA粗效過濾的機(jī)制分為三個階段。其中R_MC取決于顆粒物荷電量q_p、極化電壓U₂、和纖維材料的介電/熱電/異質(zhì)性等，較大的R_MC意味著顆粒能夠經(jīng)過較大的孔徑（以較低的空氣阻力）被纖維捕獲。當(dāng)顆粒到達(dá)纖維表面后，具備抗靜電性能、強(qiáng)附著力和粗糙表面的過濾纖維將顆粒物牢固粘附，實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定高效率和大容塵量過濾顆粒物。

【主要作者簡介】

田恩澤，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系博士，致力于發(fā)展具有靜電響應(yīng)的超低阻過濾技術(shù)。

莫金漢，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系長聘副教授。研究方向?yàn)槭覂?nèi)空氣組分的界面?zhèn)鬟f與分離。

徐桂銀，麻省理工學(xué)院博士后。研究方向?yàn)楣δ芾w維與隔膜材料在綠色能源與環(huán)境修復(fù)中應(yīng)用。

李巨（Ju Li），美國麻省理工學(xué)院終身教授。入選美國物理學(xué)會（APS）、材料研究學(xué)會（MRS）、美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS）會士等，并入選湯森路透/科睿唯安全球高被引科學(xué)家。

【引用格式】

Enze Tian, Qipeng Yu, Yilun Gao, Hua Wang, Chao Wang, Yinping Zhang, Baohua Li, Meifang Zhu, Jinhan Mo*, Guiyin Xu*, Ju Li*, Ultralow resistance two-stage electrostatically assisted air filtration by polydopamine coated PET coarse filter, Small, 2021, 17, 33: 2102051. (DOI: 10.1002/smll.202102051)

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102051

供稿：田恩澤