近年來，空氣污染問題備受關注。對于室內空氣污染的治理成為當下的研究熱點之一。室內空氣污染具有累積性，長期性和多樣性的特點。除了人們熟知的PM2.5，揮發性有機物、細菌等也是室內空氣的主要污染源。目前，對空氣中各種污染物的控制，主要采用分步處理模式，通常采用多層濾網串聯來實現PM2.5捕捉、甲醛去除等目的。分步處理不僅占用更多空間，而且投資和維護費用高。因此，發展以多功能凈化材料為基礎的一體化控制技術是解決上述問題的關鍵。
【成果簡介】
南京工業大學仲兆祥教授團隊以多孔陶瓷材料為基體，在其顆粒堆積孔道口生長碳納米管，隨后在碳納米管上均勻沉積納米銀顆粒，形成以微米孔道、碳納米管和納米催化組分構成的多層次結構膜材料。高孔隙膜基體具有三維聯通的孔道結構，透氣性好;納米纖維組成的攔截網絡顯著提高了粉塵擴散與慣性撞擊概率，且由于纖維尺度與氣體分子平均自由程相當，誘導產生滑移流效應，使纖維表面的氣體曳力低于非滑移流下的曳力，幾乎不影響膜孔道阻力;多層次孔道結構具有較大的比表面積，是良好的催化劑載體，高度分散的納米催化劑具有優越的催化性能，可快速降解VOCs。該膜對空氣中納米粉塵的截留率達到100%，遠超過HEAP濾網國際標準(對直徑為0.3微米的微粒去除率需達到99.97%)，同時大幅降低過濾壓降，降低了空氣凈化能耗，計算表明該膜具有較高的質量因子(Quality Factor)，同時對革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、真菌等具有良好的抑制效果，在室溫下對甲醛有82.2%的一次降解率。相關研究成果發表在Nanoscale上(Nanoscale, 2017,9, 5433-5444)，并被選為外封面論文。
【圖文導讀】
納米“珍珠項鏈”構型Ag@MWCNTs
(a) 多功能催化抑菌過濾膜的制備過程示意圖;
(b-d) 多孔Al2O3陶瓷膜表面形貌;
(e-g)Ag@MWCNTs/Al2O3表面形貌;
(h) AgNPs@MWCNTs的元素分布情況.
(a)不同樣品對三種細菌的動態截留性能比較;
(b)實驗室條件下，不同樣品的抑菌性能比較;
(c)真實環境下，不同樣品的的動態抗菌性能比較;
(d)樣品對甲醛的降解性能比較;
(e) MWCNT/Al2O3和Ag@MWCNTs/Al2O3對甲醛的降解效果對比;
(f-g) 截留率和壓降的變化
(h-i)截留率和品質因子隨過濾速度的變化.
(a-d)大腸桿菌(E. coli), (e-h)枯草芽孢桿菌(B.subtilis), 黑曲霉菌(A.niger)表征的不同樣品的動態抗菌效果對比;(a,e,i)為Ag@MWCNTs/Al2O3, (b,f,j)為MWCNTs/Al2O3, (c,g,k)為Al2O3, (d,h,l)為空白樣.
【小結】
本研究提供了一種基于多層次微納米結構的構建設計功能膜材料的思路，其核心在于材料中不同尺度與功能單元間的有機結合與協同作用。研究工作實現了空氣凈化材料從單一的PM2.5去除到VOCs、細顆粒物(PM2.5)、細菌等多種污染物的協同控制的拓展，對空氣污染物控制模式的革新具有一定借鑒意義。
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