廈大Nature: 液體門控，未來可期！

1.【導讀】

含超細顆粒的空氣污染物會對人體健康產生不利影響，現有空氣過濾材料一般利用多層纖維或多孔材料，通過被動阻擋或主動捕獲顆粒物實現空氣凈化。然而，隨著凈化次數的增加，污染物顆粒會堆積在過濾材料上，降低其凈化效率。因此，空氣凈化材料需要頻繁清洗與更換，大大增加了使用成本。水界面在接觸后具有捕獲固體顆粒物的能力，在多相反應和浮選工藝中，從水相到氣泡界面的顆粒吸附已經被廣泛研究。反之，關于氣相到水界面顆粒吸附的研究很少，但這為空氣中捕獲污染物顆粒提供了研究思路。

2.【成果掠影】

基于以上研究背景，廈門大學侯旭教授（通訊作者）等人在前期“液體門控技術”研究基礎上，以功能性液體作為結構與功能材料，構筑了電化學調控的空氣凈化系統-ELBS，利用水與空氣界面的物質傳輸，實現了對空氣顆粒污染物的連續高效凈化。相關研究成果近日以“Continuous air purification by aqueous interface filtration and absorption”為題發表在Nature期刊上。

3.【核心創新點】

基于液體門控技術，以特定液體作為結構與功能材料，在電化學體系中實現氣體微泡的可控生成和氣液固三相界面的高效傳質。在構筑的ELBS空氣凈化系統中，利用功能性液體有效體積對顆粒污染物的吸收，極大提高了凈化效率（99.6%）和容塵量（950?g?m^?2）。

4.【數據概覽】

圖1. ELBS的設計原理和空氣凈化性能。? 2022 Springer Nature

（a）ELBS空氣凈化系統示意圖。ELBS由摻雜的共軛聚合物基體（DPM）與填充的功能性液體組成，凈化過程包括過濾和吸附兩步，，一旦污染的空氣進入系統，基體中充滿液體的孔隙進行粗過濾，分離大顆粒，而孔隙中的液體則防止顆粒在基體表面堆積。

（b）ELBS過濾與防堵塞的能力示意圖。基體中的孔隙越小，則氣泡越小，凈化效率越高，空氣流量越低。

（c）氣泡上升階段的顆粒吸收過程。微泡的大小是通過施加氧化還原電位調節DPM和功能性液體之間的親和力來實現的。

（d）氣泡大小、空氣流量和ELBS凈化效率之間的關系，圖中三點對應c圖中的三種狀態。

圖2. ELBS系統的構筑和凈化過程。? 2022 Springer Nature

（a）聚合物基體孔徑和電荷密度之間的關系。

（b）在不同電化學電位下，LiClO₄溶液在摻雜的PPy膜（DPF）表面的接觸角。

（c）在氧化（O）和還原狀態（R）下，功能性液體和基體間的吸附作用分析。

（d） ELBS在凈化過程中的防污性能。經過濾反洗后處于還原狀態的，無液體內襯的DPM和有液體內襯的DPM基體SEM的對比。

圖3. ELBS中微泡產生和顆粒吸附過程示意圖。? 2022 Springer Nature

（a）水相界面吸附過程示意圖。

（b）左圖為壓力誘導微泡示意圖；右圖為不同氧化還原狀態下，不同基體孔尺寸的ELBS產生的微泡直徑變化。

（c）不同尺寸微泡的顆粒物凈化效率。

（d）顆粒以初始速度（v₀）在松弛時間（τ）內運動的距離稱為停止距離（x_s）。顆粒的停止距離大于氣泡直徑（D），松弛時間小于氣泡上升時間，說明在氣泡上升過程中顆粒會接觸氣液界面。其中，h為功能液體的厚度。

（e）左圖為作用在氣泡界面處顆粒上的力的示意圖；右圖：通過合理的ELBS設計，疏水和親水的顆粒污染物（PM）都可以被捕獲并進入功能液體中。

（f）從氣液界面到氣相，具有不同接觸角的不同尺寸顆粒的電離能。

（g）空氣凈化ELBS裝置示意圖，包含四個電極：DPM作為工作電極（WE），Au/不銹鋼網（SSM）作為對電極（CE）和放電電極（DE），Ag/AgCl作為參比電極（RE），DPM作為液滴收集電極（DCE）。

（h）具有不同微氣泡尺寸（D）和功能液體厚度（h）的ELBS理論和實驗凈化效率。淺藍色部分為氣泡形成階段，藍色部分為氣泡上升階段。

圖4. ELBS的應用和性能。? 2022 Springer Nature

（a）空氣凈化策略性能指標的雷達圖。

（b）應用場景展示，藍色和橙色線分別代表輸送清潔的和吸收污染物的功能液體的管道。

（c）ELBS的抗菌能力。

（d）ELBS和商用熔噴濾芯的除甲醛實驗，使用ELBS時甲醛濃度迅速下降，而使用熔噴濾芯時甲醛濃度變化并不明顯。

（e）在80℃條件下，ELBS的DPM基體和單獨的SSM暴露于1.0 M NaOH, 1.0 M NaCl和0.5 M H₂SO₄溶液24小時前后的SEM圖像對比。

（f）ELBS的照相機鏡頭保護實驗。當使用ELBS時，干凈的空氣掃過鏡頭表面，會減少顆粒聚集，保持相機圖像清晰。

（g）過濾和反洗后熔噴濾芯和ELBS的DPM掃描電鏡圖像。。

（h）在PM污染持續危險水平下，ELBS和商用熔噴濾芯的長期PM凈化效率和應用壓力變化。

5.【成果啟示】

本 ?工作展示了一種在連續空氣凈化方面很有應用前景的電化學液態系統（ELBS），它集成了兩個過程：通過液體填充的多孔基體直接阻擋和去除污染空氣中的較大顆粒物，以及通過微泡界面的功能性液體捕獲較小顆粒物。功能性液體，作為ELBS的結構和功能材料，可以重復使用保持長期穩定性，并且可以通過設計擴展其抗菌或去除有害氣體的性能。通過電化學調節產生微泡的大小和功能液體的厚度，也可以合理調節凈化效率。通過將理論模擬與實驗驗證相結合，本工作揭示了可控微泡產生和在水界面處捕獲顆粒的機理。在此基礎上，如果能將此ELBS系統與基于人工智能的微流體和液體門控技術相結合，有望實現ELBS功能液體的快速調節，以滿足極具挑戰性的空氣凈化需求，為未來改善人居環境、解決健康民生問題提供有力保障。

原文詳情：Zhang, Y., Han, Y., Ji, X. et al. Continuous air purification by aqueous interface filtration and absorption. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05124-y。