关于NH2-MIL-53/壳聚糖改性纸质功能材料对空气中颗粒物过滤性能的研究

《ACS Omega》：A Study on the Filtration Performance of NH2-MIL-53/Chitosan-Modified Paper-Based Functional Materials against Airborne Particulate Matter

通过引入壳聚糖（CS）作为载体，将NH2-MIL-53金属有机框架与纤维素纸基复合，形成三维网络结构，显著提升PM2.5和PM10捕获效率至98.41%和99.05%，同时压力降仅24.10 Pa，并经过10次循环测试仍保持高效稳定，为绿色环保的高效空气过滤材料设计提供了新思路。

　　空气污染问题日益严重，尤其是在城市化进程加速的背景下，大气中悬浮颗粒物（PM）的浓度不断上升，对人类健康和生态环境造成了深远影响。PM2.5和PM10作为两种主要的颗粒污染物，因其能够深入人体呼吸系统而被广泛关注。针对这一挑战，科研人员不断探索高效的空气净化技术，特别是在过滤材料的设计与开发方面。传统的石油基过滤材料虽然在某些方面表现良好，但存在难以降解、过滤效率有限、压降较大以及使用寿命短等问题。因此，寻找一种环保、高效且低阻力的过滤材料成为当前研究的热点。

在这一背景下，研究人员提出了一种新的纸基过滤材料设计思路，通过将NH?-MIL-53金属有机框架（MOF）引入到纸浆纤维中，并采用壳聚糖（CS）作为载体，构建出一种具有优异过滤性能的复合材料。该材料不仅提高了对PM2.5和PM10的捕集效率，还有效降低了压降，为空气净化技术的发展提供了新的方向。

### 1. 介绍

空气清洁是所有生命体生存与发展的基本需求。然而，随着工业化和城市化的推进，大气污染问题变得愈发严峻，成为全球性的环境挑战。空气污染不仅影响空气质量，还对可持续发展产生深远影响。其中，颗粒物污染尤为突出，尤其是PM2.5和PM10等细颗粒物，因其来源广泛（如工业排放、汽车尾气、生物质燃烧等），且对人体健康构成威胁，成为研究的重点。这些细颗粒物可以深入肺部，导致多种健康问题，包括心血管疾病、慢性呼吸道疾病和肺癌等。同时，它们还会影响气候、生态平衡、交通安全和农业生产。

为了应对这一问题，高效、低阻力的过滤材料显得尤为重要。传统的过滤材料往往依赖单一的过滤机制，难以全面应对复杂的颗粒物污染。而纤维滤纸，特别是由纸浆制成的材料，因其良好的分子结合力、可塑性和环境友好性而受到关注。然而，纸浆纤维的结构相对简单，导致其对颗粒物的捕集能力有限。因此，如何通过改进纤维结构，提升其对颗粒物的拦截能力，成为当前研究的重要方向。

金属有机框架（MOFs）因其独特的孔隙结构、高比表面积和可调控的化学性质，被认为是提高过滤效率的有前景材料。其中，Al-MOFs由于其低毒、资源丰富、成本低和可持续性等优点，受到了广泛关注。然而，MOFs在实际应用中也面临一些挑战，如脆性、容易聚集以及难以回收等问题。将MOFs直接掺入纸浆纤维中，虽然可以提升过滤性能，但由于两者之间的结合力较弱，容易发生脱落，影响材料的稳定性和重复使用性。

为了克服上述问题，研究人员提出了一种创新的材料制备方法，即通过将NH?-MIL-53与壳聚糖结合，形成一种复合凝胶，再将其引入到纸浆纤维中。这种方法不仅增强了MOFs在纤维表面的附着力，还改善了材料的结构特性，使其能够形成更加复杂的三维网络，从而提升对颗粒物的捕集能力。壳聚糖作为一种天然的多糖，具有良好的生物相容性和化学活性，其氨基和羟基可以与MOFs形成氢键或静电相互作用，从而提高其在纤维表面的稳定性。

### 2. 实验材料与方法

本研究中使用的实验材料包括NH?-MIL-53金属有机框架、壳聚糖（CS）、以及纸浆纤维（NBKP）。NH?-MIL-53是由铝盐（AlCl?·6H?O）和2-氨基对苯二甲酸（NH?–H?BDC）在水相中合成的，具有较高的比表面积和复杂的孔道结构，使其成为理想的颗粒物捕集材料。壳聚糖作为一种天然高分子材料，具有良好的生物相容性、可降解性和化学活性，能够作为MOFs的载体，提高其在纤维表面的附着能力。

实验方法主要包括以下步骤：首先，将NH?-MIL-53通过水相合成制备出来，然后将其与纸浆纤维混合，形成NP-x系列的滤纸。其中，x代表NH?-MIL-53的掺杂量，分别为0、1、1.5、2、2.5和3 mmol。为了进一步提高MOFs的附着稳定性，研究人员在壳聚糖凝胶的形成过程中引入NH?-MIL-53，形成一种复合凝胶，再将其与纸浆纤维结合，最终制备出CS/NP-2.5复合滤纸。

为了评估材料的结构和性能，采用了多种表征手段。例如，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）用于检测材料中的化学键和官能团；X射线衍射（XRD）用于分析材料的晶体结构；X射线光电子能谱（XPS）用于研究材料表面元素的化学状态；扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）用于观察材料的微观形貌和元素分布；比表面积分析（BET）用于测定材料的孔隙结构；热重分析（TGA）用于评估材料的热稳定性和MOFs的负载量；拉伸测试用于研究材料的机械性能。

### 3. 结果与讨论

通过结构表征和性能测试，研究人员发现CS/NP-2.5复合滤纸在PM2.5和PM10的捕集效率方面表现出显著优势。与直接掺杂的NP-2.5相比，CS/NP-2.5的PM2.5捕集效率提高了7%，分别达到了98.41%和99.05%。同时，其压降仅为24.10 Pa，远低于传统材料，表明该材料在保持高效过滤的同时，具备较低的空气阻力，更适合实际应用。

此外，CS/NP-2.5在10次循环测试中仍能保持超过94%的过滤效率，显示出良好的重复使用性。这一结果归因于壳聚糖对MOFs的稳定作用，有效防止了MOFs在过滤过程中的脱落，确保了材料的结构完整性。研究人员还发现，CS/NP-2.5的比表面积达到了136.55 m2/g，远高于纯纸浆材料（8.03 m2/g），这表明壳聚糖与MOFs的复合不仅提高了材料的表面粗糙度，还引入了大量微孔，形成了复杂的孔道结构，从而提升了颗粒物的捕集能力。

从机械性能来看，CS/NP-2.5的拉伸强度显著提高，达到了4.80 MPa，而纯纸浆材料（NP-0）的拉伸强度仅为1.65 MPa。这一提升归因于壳聚糖与纤维之间的良好相容性，形成了三维网络结构，增强了纤维之间的相互作用，提高了材料的整体强度。同时，SEM图像显示，CS/NP-2.5的表面形成了更加密集的结构，减少了颗粒物在过滤过程中的通过率，进一步提升了过滤效率。

在过滤机制方面，研究人员提出了一种三重协同作用模型。首先，壳聚糖与MOFs的复合结构增加了材料的表面粗糙度，从而提高了颗粒物的物理拦截效率；其次，材料的复杂孔道结构增加了颗粒物在通过滤纸时的碰撞概率，提升了捕集效率；最后，MOFs中的不饱和金属位点能够诱导颗粒物表面电荷极化，增强静电吸附作用。这三种机制的协同作用使得CS/NP-2.5在过滤过程中表现出卓越的性能。

### 4. 结论

本研究通过将NH?-MIL-53与壳聚糖结合，成功制备出一种具有高效过滤能力的纸基复合材料CS/NP-2.5。该材料不仅在PM2.5和PM10的捕集效率方面表现出色，还具有较低的压降和良好的重复使用性，为开发高性能、低阻力的空气净化材料提供了新的思路。实验结果表明，CS/NP-2.5在10次循环测试中仍能保持稳定的过滤性能，压降仅增加了1.8 Pa，显示出优异的结构稳定性和长期使用潜力。

此外，该材料的制备过程采用了绿色合成方法，符合可持续发展的理念。壳聚糖作为一种天然材料，不仅提高了MOFs的负载稳定性，还增强了材料的生物相容性和可降解性。这使得CS/NP-2.5在实际应用中更具优势，尤其是在需要环保和可重复使用的场景中，如口罩和空气净化器等。通过优化MOFs的负载比例和结构设计，研究人员成功构建了一种具有广泛应用前景的新型过滤材料，为未来空气净化技术的发展奠定了基础。