可电加热再生的三维纳米线网络滤网用于吸附PM2.5颗粒物

颗粒物(PM)是大气中的主要污染物之一,细颗粒物如PM2.5(即空气动力学直径2.5微米以下的颗粒物),具有比表面积大、活性位点多的特点,可携带重金属、有毒有机物和有害微生物,吸入后容易滞留在终末细支气管和肺泡中,甚至穿透肺泡进入血液,对人体健康危害极大。此外,PM2.5在大气中滞留时间长,传输距离远,并且与其他空气污染物存在着复杂的转化关系。我国目前是全球范围内PM污染最严重的国家之一,虽然已在源头控制上做了很多努力,但消除已排放的PM污染也十分必要。

各国研究者已开发了多种新方法和新材料来实现PM的捕集,其中过滤材料是较具应用前景的一类。传统用于评价过滤材料的性能参数包括PM去除效率、压降、化学稳定性和热稳定性等。此外,大多数商业应用的过滤器不能再生,过滤材料在吸附饱和后需要更换,为了减少材料和维护成本,过滤器的可再生性也逐渐被纳入考虑。

近日,北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋/陈海标课题组采用原位生长纳米线技术,开发了一种具有三维纳米线网络的PM滤网。该滤网在测试中显示出良好的过滤性能和较低的气流阻力,并实现了电加热进行原位再生。在该工作中,研究者通过热分解有机前驱体产生烃类化合物,在不锈钢网基底上生长了三维纳米线网络,纳米线网络完全覆盖了不锈钢网格空隙。通过透射电子显微镜、X光电子能谱等表征手段,发现了纳米线核心部分为石墨碳,外层为无定型碳,并且表面具有含氧官能团,可提供主动吸附颗粒物的能力。

研究者对纳米线的生长机理进行了探讨,认为纳米线的生长是基于“金属尘化”机理。即不锈钢基底在碳饱和气氛中发生了腐蚀释放出纳米颗粒,这些纳米颗粒催化了碳纳米线的生长。其后,研究者将滤网组装PM过滤器并进行了过滤性能测试,过滤器初始PM2.5去除效率为96.1%以上,PM10去除效率为98.2%以上,压降为158 Pa。由于过滤器具有良好的导电性和热稳定性,研究者采用电加热方法,实现了过滤器的原位再生。测试显示,经过3次过滤/再生循环之后,过滤器仍能保持90%以上的PM去除效率并和低的压降。研究者指出,该过滤器有望应用于处理高温废气或需要原位再生功能的场合中,如柴油机颗粒物捕集器,航天器,工厂设备等。

相关工作以“An Electrically Renewable Air Filter with Integrated Three-dimensional Nanowire Networks”为题,发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201900101)上,通讯作者为潘锋教授,第一作者为博士研究生杨凯和硕士研究生虞志豪。