Rational designed ZIF-8@PDA@PDMS composite sponge for efficient and sustainable particulate matter filtering under harsh environment (Open Access)
Yukui Gou, Yuanye Hao,Weilong Cai（蔡伟龙）*,Jianying Huang（黄剑莹）*,Yuekun Lai（赖跃坤）*
Keywords: PDMS sponge; ZIF-8; Particle capture; High temperature; Stability
DOI: 10.1016/j.partic.2022.09.001
颗粒物(PM)对环境和人类健康都构成重大威胁。在COVID-19疫情大流行期间，空气中的PM可以携带大量病毒和细菌，这已成为对世界安全的潜在威胁。研究人员开发了各种过滤器来解决颗粒物污染问题，如个人防护口罩、聚合物纳米纤维过滤器、多孔气凝胶过滤器等。这些过滤器通常在日常环境中表现良好，但不能适应恶劣环境。此外，气体污染源通常具有高温、高浓度、高湿度的特点，因此需要能够适应恶劣条件的空气过滤器。为了解决这个问题，本文设计了一种高效、耐用的空气过滤器，首先通过牺牲模板法制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）海绵，使用原位负载法在海绵骨架上涂覆聚多巴胺（PDA）涂层，并利用PDA结构中的活性官能团在PDA涂层上原位生长大量沸石咪唑骨架(ZIF-8)颗粒。该过滤器在高温和高湿条件下均表现出优异的PM过滤性能。实现了易于调节的孔结构和可定制的形状，提高了过滤器的实际应用潜力。
该成果于10月3日在PARTICUOLOGY上在线发表，并同时在美国科学促进会AAAS主办的全球科技新闻网站EurekAlert!上进行新闻发布，欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码进入ScienceDirect官网阅读、下载！
研究方法
本文利用牺牲模板法和原位生长法制备了聚二甲基硅氧烷（PDMS）三维多孔复合海绵空气过滤器，通过聚多巴胺（PDA)连接将金属有机框架（ZIF-8）颗粒负载到PDMS海绵的孔隙中。ZIF-8表面的不平衡金属离子和缺陷提供正电荷，与PM中含有大量的离子产生极化作用，从而提高了ZIF-8粒子与PM之间的静电吸引。PDMS海绵的大骨架和丰富的孔隙提供了良好的透气性，当PM进入海绵的“骨架迷宫”后，被高度极性的ZIF-8粒子以“守株待兔”的方式主动捕获。ZIF-8的静电吸附作用和PDMS海绵的复杂孔隙使该过滤器具有出色的过滤性能，而PDMS海绵固有的疏水性和较好的耐高温性能提高了过滤器在恶劣环境中的适应能力。
亮点介绍
本文通过在高温和高湿度条件下对高浓度PM污染物的过滤性能测试，展示了复合海绵过滤器良好的耐用性，为进一步的实际应用创造了条件。热重测试表明ZIF-8@PDA@PDMS复合海绵在具有显著的热稳定性。在250℃条件下，复合海绵对PM2.5的去除效率仍在99.1%以上。高温过滤稳定性试验表明，ZIF-8@PDA@PDMS复合海绵在250℃条件下可连续过滤120 min，其去除效率仍能保持在99.0%左右，为工业烟气过滤提供了一种新的材料和思路。此外，PDMS固有的疏水性提供了解决高湿度条件下过滤的潜力。ZIF-8@PDA@PDMS复合海绵在相对湿度为90%的工作环境下连续过滤1 h，可保证去除效率达到99.3%。
应用展示
为了使ZIF-8@PDA@PDMS复合海绵的工业化生产和实际应用成为可能，我们在实际应用中进一步探索复合海绵的过滤性能。考虑到汽车尾气排放中存在高温高湿颗粒物的可能性，我们根据汽车排气管的尺寸，制备了形状规则的复合海绵，并将其完美贴合在排气管口。海绵过滤器的形状可控性和结构稳定性为适应不同场景的几何要求提供了可能。在100 min的连续测试中，复合海绵对汽车尾气中PM2.5和PM10的去除效率可达99.0%以上。即使对于粒径仅为0.5 μm的颗粒，复合海绵的去除率仍能达到93.3%以上。
通讯作者简介
蔡伟龙，福州大学/清源创新实验室，研究员，博士生导师，2016年入选国家科技部中青年科技创新领军人才计划，2018年入选国家“万人计划”科技创新领军人才和福建省科技创新领军人才，2019年度获评中国纺织工程学会技术带头人。长期从事烟气分离与空气净化、功能滤料开发等方面研究。累计申请专利100余项，已获授权专利71项，其中美国发明专利1项，国内发明专利22项（其中第一发明人20项）；以第一起草人制定纺织行业、电力行业、环保机械行业标准15项，研究成果获中国专利优秀奖、国家生态环境部（原国家环保部）环境保护科技进步二等奖、中国纺织工业联合会科技进步二等奖、香港桑麻基金会纺织科技一等奖和福建省科技进步一等奖等。
黄剑莹，福州大学教授，博士生导师。入选2019、2020、2021年全球高被引科学家榜单、福建省高层次创新创业人才（B类）、泉州市高层次创新创业人才（第二层次）等。致力于功能性纺织纤维材料、油水分离材料、浸润性仿生材料及其多相过滤分离应用研究，主持参与科研项目10余项。在Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small、Chem Eng J、J Mater Chem A等期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文20余篇，论文SCI引用10000余次。
赖跃坤，福州大学教授，博士生导师，2018-2021连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”，福建省“闽江学者”特聘教授，省“杰出青年“基金、“百人计划”项目获得者。长期从事多相分离与过滤纯化、环境与能源化工催化、仿生表界面特殊浸润性膜层开发等方面研究。发表国内外知名期刊上合作发表SCI论文200多篇, SCI论文引用15000余次，h-index为72。申报发明专利50余项，包括10项PCT国际专利，已授权中国发明专利20余项。
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部