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厦门大学实现面向未来空气净化的电化学液体门控技术

  厦门大学实现面向未来空气净化的电化学液体门控技术。 2022年9月26日,厦门大学侯旭教授团队在Nature期刊上发表了一篇题为 Continuous Air Purification by Aqueous Interface Filtration and Absorption的研究成果。

   该成果报道了运用响应性液体门控技术提出不同微尺度颗粒物在水界面上的高效过滤与吸收的核心机制,打通了现有空气净化中过滤吸收、防污防腐、抗菌除臭、长期运行的技术难关,为空气净化器的设计提供了全新的思路。

   厦门大学电化学科学与工程研究所所长侯旭教授为该论文的通讯作者,博士生张运茂为论文的第一作者。

   近年来,空气污染一直是人们关注的重要问题,持续不断的雾霾天气,不但增加呼吸道等疾病的爆发,同时也造成严重的经济、社会问题。空气污染物中的颗粒物是具有较大危害性的一类物质,其由固体、液体、有机和无机物质颗粒的复杂混合悬浮物组成,颗粒物的浓度已被用作空气污染的一项重要指标。去除这些颗粒物直接有效的方法仍然是使用各种空气过滤净化系统,这些系统多由多层纤维膜或多孔材料组成的过滤膜单元构成。然而,由于颗粒在其表面和内部孔隙的堆积,这些过滤单元将不可避免地遭受堵塞问题,其表面的容尘能力从根本上限制了这类过滤装置的效率和使用寿命。因此,这种系统需定期更换或清洗过滤器单元,以维持其最佳净化性能,这将会增加系统的复杂性和维护成本,更换下来的配件也会产生固体废物;目前,净化效率、使用寿命和维护成本之间的完美权衡仍然近乎无解,如何开发净化效率高、使用寿命长、无需复杂维护的净化系统,是该领域的重要研究目标。

   厦门大学侯旭团队致力于仿生液基材料及其界面科学的研究。受生物肺泡孔的启发,基于液体作为结构材料的液体门控机制由侯旭等首次提出,侯旭团队逐步将液体门控技术的概念与理论发展具体成形,并引领该技术的全球发展。2020年,液体门控技术被世界权威化学组织国际纯粹与应用化学联合会IUPAC评为年度全球化学领域十大新兴技术。不同于传统固体多孔系统和液膜系统的概念,液体门控是指微尺度孔道利用毛细力作用,将液体稳定地填充在孔道内部,在一定压力下迅速开启,在多孔材料孔道内壁形成有液体层的通路,并具有可逆调控性。其液体层可为液体门控材料提供动态分子级平整的界面,因此具有优异的抗污与节能性质,有助于解决与材料科学、化学、环境、生物医学工程等相关领域的前沿科学与应用问题。

  

   图1:基于液体门控技术的连续高效空气净化

   该空气净化研究工作是液体作为结构与功能材料的进一步升华,其核心在于利用电化学响应性液体门控技术将表面润湿性可调的多孔膜作为固体骨架,特定功能液体同时作为结构与功能材料,电化学调控固-液界面的物理化学性质实现对微气泡尺寸的控制,并通过调控颗粒物与液体之间的相互作用进而控制空气-水界面上的物质传递(图2)。该方法将传统固体材料对污染物过滤所使用的有效表面积转换成液体材料对污染物过滤吸收的有效体积,进而实现对污染物处理量的数量级提升,从而在提高净化效率的同时也提高了净化器的尘容量。此外,利用门控液体作为主要过滤材料,可以通过管路连接、自动化、程序化控制,进一步实现免维护、高效、低成本的系统运行。而且可以按照需要设计功能液体,赋予空气净化液门系统能够适合特定的净化需求,如抗菌能力、对气味和有害气体污染物的去除能力,以及耐腐蚀能力等。

  

   图2:电化学响应性液体门控水界面上的过滤与吸收机制示意图

   该电化学液门空气净化系统还可结合人工智能技术、微流控技术等集成应用,未来有望实现多种功能液体的智能快速调节,满足不同环境下的空气净化需求。该多相界面相互作用和界面物质传递的机制也将有助于研究多相体系中的物质传质和化学反应,将促进微型反应器的开发及催化、乳化、化妆品、制药等领域的研究和发展。

  

   图3:侯旭教授在实验室指导学生实验

   该项研究还得到西北工业大学臧渡洋教授团队的支持。本研究工作得到国家自然科学基金项目(52025132, 21975209, 21621091, 22021001和22121001),国家重点研发计划项目(2018YFA0209500),111项目(B17027, B16029)和福建省能源材料科学与技术创新实验室科技项目(RD2022070601)、固体表面物理化学国家重点实验室科技项目、福建省自然科学基金等项目的资助。(来源:科学网)

   相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05124-y

  
作者:侯旭等 来源:《自然》

分类标签: 化学 大学 空气 电化学

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