TEMPO氧化纳米纤维素/壳聚糖基多功能海绵的抗菌阻燃设计与PM2.5高效捕获机制

针对PM2.5携带病原体威胁呼吸道健康的难题，研究人员通过整合TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TCNF）、壳聚糖（CS）、氧化石墨烯（GO）和木质素@氧化锌（LNP@ZnO）杂化颗粒，开发出兼具高效过滤（99.14%）、低气阻（38 Pa）、广谱抗菌（大肠杆菌92.63%/金黄葡萄球菌89.05%）和阻燃性（LOI 27.1%）的多功能海绵过滤器，为空气净化材料设计提供了新范式。

　　

随着工业化和气候变化加剧，PM_2.5污染已成为全球公共卫生危机。这些微小颗粒不仅能携带细菌病毒长距离传播，还与尘肺病、心血管疾病和癌症密切相关。现有空气过滤器普遍面临效率与压降难以平衡、缺乏主动抗菌功能等问题，而传统金属氧化物抗菌剂又易破坏材料机械性能。针对这些挑战，浙江农林大学等机构的研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表论文，通过创新设计TEMPO氧化纳米纤维素/壳聚糖基（TCNF-CS）复合海绵，实现了PM_2.5高效捕获与生物安全性的双重突破。

研究采用液氮速冻-冷冻干燥技术构建三维网络骨架，关键创新包括：1）通过EDC/NHS介导的酰胺交联形成TCNF-CS基质；2）引入氧化石墨烯（GO）增强静电吸附并优化层状结构；3）首创木质素纳米颗粒（LNP）负载氧化锌（ZnO）的杂化体系（LNP@ZnO），既保持抗菌活性又避免机械性能损失。

材料形成与作用机制
通过FT-IR和XPS证实TCNF的羧基（-COOH）与CS的氨基（-NH₂）发生脱水缩合，形成稳定酰胺键。GO的加入使海绵表面zeta电位降至-27.3 mV，显著提升PM_2.5静电吸附能力。冷冻电镜显示LNP@ZnO在GO层间构建"笼式结构"，使PM_2.5拦截路径延长3.8倍。

过滤与抗菌性能
在TCNF:CS:GO:LNP@ZnO=2:0.6:1:1优化配比下，海绵对0.3-1.0 μm颗粒的过滤效率达99.14%，压降仅38 Pa，品质因数（QF）超越商用熔喷布2.3倍。LNP@ZnO通过锌离子缓释和活性氧（ROS）攻击，使大肠杆菌和金黄葡萄球菌存活率分别降至7.37%和10.95%。燃烧测试显示GO与LNP协同作用，极限氧指数（LOI）提升至27.1%，达到难燃材料标准。

机械稳定性与环保性
得益于双交联网络（内部酰胺键+外部氢键/范德华力），海绵压缩模量达4.17 MPa，200次循环后形变恢复率>95%。生物降解实验表明，30天后TCNF-CS基质失重率达68%，远优于合成高分子材料。

该研究突破性地解决了过滤材料抗菌-机械性能此消彼长的矛盾，LNP@ZnO杂化策略为绿色抗菌剂开发提供新思路。所构建的多级孔道结构和双功能协同机制，为新一代智能空气净化系统设计奠定理论基础。特别是材料全生物基特性，契合全球碳中和战略需求，在医疗防护、工业除尘等领域具有广阔应用前景。