看大牛崔屹如何利用纳米材料隔离雾霾

前言：

从一年前柴静的《穹顶之下》，到近些天刷爆朋友圈的北京大雾霾。雾霾、PM2.5指标等词语成了人们专注的热门词汇。今天研之成理向各位介绍纳米牛人崔屹如何利用纳米材料来 “消除” 雾霾（PM2.5）。

崔屹教授最为人所知的是其在锂离子电池方面的贡献。其实，近年来崔教授在如何消除PM2.5方面也做出了很多工作。不仅如此，他还和前美国能源部部长朱棣文一起创建了4C Air公司，致力于PM2.5过滤技术的商业化。

正文：

传统过滤PM2.5的材料有两种：1. 多孔膜过滤器；2. 吸附过滤。如下图1c、1d所示。这两种过滤材料的共同缺点是空气流通性差。一款好的PM2.5过滤材料需要有三大特点：PM 2.5吸收效率高、透气性好、透光性好。为了克服传统材料的不足，崔教授课题组开发出新型聚合物纳米线基过滤材料，如图1e所示。

图 1

他们利用电纺丝的方法将聚合物制成薄膜，如图2a所示。通过尝试多种聚合物材料，他们发现带有极性基团的聚合物具有很强的吸附PM2.5能力，比如(聚酰亚胺PI、聚丙烯腈PAN等)。他们将这一规律归属为聚合物偶极矩的大小（偶极矩越大、吸附能力越强），如图2b、2e所示。

图 2

SEM表征发现，电纺丝法制备的聚合物纤维的直径在200 - 300 nm之间，空隙大，如图2c、2d所示。为了考察聚合物纤维吸附PM2.5的过程和能力，他们利用原位OM（Optical Microscopy）对其吸附过程进行观察，如下图3所示。

图 3

图3中可见，小颗粒先在纤维上均匀吸附，然后在纤维上汇聚长大。稳定性测试表明保持70 %透过率条件下，100 h，PM2.5的吸附效率保持在95 %以上，聚合物纤维结构也没有破坏。如图4所示：

图 4

以上内容来自{Nat. Commun. 2015, 6, 1−9.}。

上文所使用的电纺丝方法存在两大缺陷：聚合物纤维分布不均匀、无法大规模生产。为了解决这两大问题，崔教授课题组在电纺丝法基础上发展了滚动式（Roll to Roll）批量合成方法，如下图5所示：

图 5

滚筒法的不同之处在于将导电金属网改成表面粗糙的金属膜，从而解决了分布不均匀的问题。原理示意图如图6所示：

图 6

该工作发表在Nano Letters上。

今年崔教授课题组又在Nano Letters上报道研究出耐高温的新型聚合物纤维材料。研究发现很多PM2.5物质都是在高温环境下排放，如下图7所示。如果想要从源头上解决PM2.5问题，所用材料必须具有一定的高温稳定性。

图 7

在前期工作的基础上，他们开发出了以聚酰亚胺（PI）为基础的聚合物纤维材料。该材料在保证PM2.5祛除效率的前提下，兼具高热稳定性。其在370 C以下仍然能够高效工作，SEM表征发现其微观结构保持完整（370 C以下），如图8所示：

图 8

以汽车尾气中PM2.5的祛除为例，其实测稳定性也好高，如图9：

图 9

总结：

从该研究领域来分析，崔教授的研究确实接地气，也确实符合其强调的从实际出发做科研的思路。多做些这样的研究比跟风灌Science、Nature强多了。

Tips：点击“阅读原文”获取原文

---

---

为方便研友们进行学术讨论，研之成理也开创了自己的QQ群，1号群：已满；2号群：已满；3号群：585629919。欢迎大家加入进行激烈的学术讨论！

本文版权属于研之成理，转载请通过QQ联系我们，未经许可请勿盗版，谢谢！

长按下图识别图中二维码或者搜索微信号rationalscience，轻松关注我们，谢谢！