MXene/PEO纳米纤维中的界面极化工程用于实现高性能、可持续的电活性气溶胶过滤

《ACS ES&T Engineering》：Interfacial Polarization Engineering in MXene/PEO Nanofibers for High-Performance, Sustainable Electroactive Aerosol Filtration

　　

摘要

在气溶胶过滤领域，实现高过滤效率、低压力损失以及可持续的废弃处理方式是一大挑战。在此，我们通过一种环保的水基电纺方法，将Ti₃C₂T_x MXene纳米片融入可回收的聚环氧乙烷（PEO）纳米纤维中，从而制成了电活性空气过滤器，无需使用有毒有机溶剂。随着MXene浓度的增加，纤维的平均直径从原始PEO的901纳米降低到0.5重量百分比含量时的332纳米，这得益于电纺过程中更强的静电牵引力。当施加9千伏的颗粒充电电压和16千伏的纤维极化电压时，优化后的M0.5@PEO过滤器在0.053米/秒的面风速下，对0.3微米的颗粒物具有99.3%的过滤效率，且压力损失仅为10.8帕斯卡。这种出色的过滤性能主要归因于MXene/PEO界面处的界面极化作用，它提升了纤维膜的相对介电常数（从原始PEO的1.208升高到500赫兹时的49.66），并在外部电场作用下促进电荷积累，进而增强静电颗粒捕获效果。在环境条件下进行的30天长期稳定性测试表明，该过滤器的过滤效率保持在99.1%至99.8%之间，性能稳定。此外，由于PEO基质具有水溶性，该过滤器可在90秒内完全溶解，为废弃处理提供了环保方案，避免了能耗较高的焚烧或填埋处理方式。本研究提出了一种基于机制且具备可持续性的策略，通过利用MXene/聚合物复合材料中的界面极化工程，开发出了高性能的电活性空气过滤材料，这些材料可广泛应用于室内空气净化、洁净室工程以及工业排放控制领域。