厦大Nature: 液体门控，未来可期！

1.【导读】

含超细颗粒的空气污染物会对人体健康产生不利影响，现有空气过滤材料一般利用多层纤维或多孔材料，通过被动阻挡或主动捕获颗粒物实现空气净化。然而，随着净化次数的增加，污染物颗粒会堆积在过滤材料上，降低其净化效率。因此，空气净化材料需要频繁清洗与更换，大大增加了使用成本。水界面在接触后具有捕获固体颗粒物的能力，在多相反应和浮选工艺中，从水相到气泡界面的颗粒吸附已经被广泛研究。反之，关于气相到水界面颗粒吸附的研究很少，但这为空气中捕获污染物颗粒提供了研究思路。

2.【成果掠影】

基于以上研究背景，厦门大学侯旭教授（通讯作者）等人在前期“液体门控技术”研究基础上，以功能性液体作为结构与功能材料，构筑了电化学调控的空气净化系统-ELBS，利用水与空气界面的物质传输，实现了对空气颗粒污染物的连续高效净化。相关研究成果近日以“Continuous air purification by aqueous interface filtration and absorption”为题发表在Nature期刊上。

3.【核心创新点】

基于液体门控技术，以特定液体作为结构与功能材料，在电化学体系中实现气体微泡的可控生成和气液固三相界面的高效传质。在构筑的ELBS空气净化系统中，利用功能性液体有效体积对颗粒污染物的吸收，极大提高了净化效率（99.6%）和容尘量（950 g m⁻²）。

4.【数据概览】

图1. ELBS的设计原理和空气净化性能。© 2022 Springer Nature

（a）ELBS空气净化系统示意图。ELBS由掺杂的共轭聚合物基体（DPM）与填充的功能性液体组成，净化过程包括过滤和吸附两步，，一旦污染的空气进入系统，基体中充满液体的孔隙进行粗过滤，分离大颗粒，而孔隙中的液体则防止颗粒在基体表面堆积。

（b）ELBS过滤与防堵塞的能力示意图。基体中的孔隙越小，则气泡越小，净化效率越高，空气流量越低。

（c）气泡上升阶段的颗粒吸收过程。微泡的大小是通过施加氧化还原电位调节DPM和功能性液体之间的亲和力来实现的。

（d）气泡大小、空气流量和ELBS净化效率之间的关系，图中三点对应c图中的三种状态。

图2. ELBS系统的构筑和净化过程。© 2022 Springer Nature

（a）聚合物基体孔径和电荷密度之间的关系。

（b）在不同电化学电位下，LiClO₄溶液在掺杂的PPy膜（DPF）表面的接触角。

（c）在氧化（O）和还原状态（R）下，功能性液体和基体间的吸附作用分析。

（d） ELBS在净化过程中的防污性能。经过滤反洗后处于还原状态的，无液体内衬的DPM和有液体内衬的DPM基体SEM的对比。

图3. ELBS中微泡产生和颗粒吸附过程示意图。© 2022 Springer Nature

（a）水相界面吸附过程示意图。

（b）左图为压力诱导微泡示意图；右图为不同氧化还原状态下，不同基体孔尺寸的ELBS产生的微泡直径变化。

（c）不同尺寸微泡的颗粒物净化效率。

（d）颗粒以初始速度（v₀）在松弛时间（τ）内运动的距离称为停止距离（x_s）。颗粒的停止距离大于气泡直径（D），松弛时间小于气泡上升时间，说明在气泡上升过程中颗粒会接触气液界面。其中，h为功能液体的厚度。

（e）左图为作用在气泡界面处颗粒上的力的示意图；右图：通过合理的ELBS设计，疏水和亲水的颗粒污染物（PM）都可以被捕获并进入功能液体中。

（f）从气液界面到气相，具有不同接触角的不同尺寸颗粒的电离能。

（g）空气净化ELBS装置示意图，包含四个电极：DPM作为工作电极（WE），Au/不锈钢网（SSM）作为对电极（CE）和放电电极（DE），Ag/AgCl作为参比电极（RE），DPM作为液滴收集电极（DCE）。

（h）具有不同微气泡尺寸（D）和功能液体厚度（h）的ELBS理论和实验净化效率。浅蓝色部分为气泡形成阶段，蓝色部分为气泡上升阶段。

图4. ELBS的应用和性能。© 2022 Springer Nature

（a）空气净化策略性能指标的雷达图。

（b）应用场景展示，蓝色和橙色线分别代表输送清洁的和吸收污染物的功能液体的管道。

（c）ELBS的抗菌能力。

（d）ELBS和商用熔喷滤芯的除甲醛实验，使用ELBS时甲醛浓度迅速下降，而使用熔喷滤芯时甲醛浓度变化并不明显。

（e）在80℃条件下，ELBS的DPM基体和单独的SSM暴露于1.0 M NaOH, 1.0 M NaCl和0.5 M H₂SO₄溶液24小时前后的SEM图像对比。

（f）ELBS的照相机镜头保护实验。当使用ELBS时，干净的空气扫过镜头表面，会减少颗粒聚集，保持相机图像清晰。

（g）过滤和反洗后熔喷滤芯和ELBS的DPM扫描电镜图像。。

（h）在PM污染持续危险水平下，ELBS和商用熔喷滤芯的长期PM净化效率和应用压力变化。

5.【成果启示】

本 工作展示了一种在连续空气净化方面很有应用前景的电化学液态系统（ELBS），它集成了两个过程：通过液体填充的多孔基体直接阻挡和去除污染空气中的较大颗粒物，以及通过微泡界面的功能性液体捕获较小颗粒物。功能性液体，作为ELBS的结构和功能材料，可以重复使用保持长期稳定性，并且可以通过设计扩展其抗菌或去除有害气体的性能。通过电化学调节产生微泡的大小和功能液体的厚度，也可以合理调节净化效率。通过将理论模拟与实验验证相结合，本工作揭示了可控微泡产生和在水界面处捕获颗粒的机理。在此基础上，如果能将此ELBS系统与基于人工智能的微流体和液体门控技术相结合，有望实现ELBS功能液体的快速调节，以满足极具挑战性的空气净化需求，为未来改善人居环境、解决健康民生问题提供有力保障。

原文详情：Zhang, Y., Han, Y., Ji, X. et al. Continuous air purification by aqueous interface filtration and absorption. Nature (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-05124-y。