面向高湿PMs滤除和无源生理监测的有机-无机纳米杂化电活性聚乳酸防护膜

doi:10.7503/cjcu20240513

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3): 20240513.doi: 10.7503/cjcu20240513

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面向高湿PMs滤除和无源生理监测的有机-无机纳米杂化电活性聚乳酸防护膜

徐明伟¹, 杨尚学¹, 刘冠林¹, 杨婷², 张一帆², 赵越³, 李和国³, 张明明⁴, 徐欢²()

^1.北京石油化工学院安全工程学院，北京 102617
^2.中国矿业大学材料与物理学院，徐州 221116
^3.国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 100191
^4.中国安全生产科学研究院，北京 100012

收稿日期:2024-11-18 出版日期:2025-03-10 发布日期:2024-12-25
通讯作者: 徐欢 E-mail:hihuan@cumt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52404195);国家重点研发计划项目(2024YFC3015003);北京市教育委员会科研计划项目(KM202310017002);国家能源集团科技攻关项目(E210100285)

Organic-inorganic Nanohybrid Electroactive Polylactic Acid Protective Membranes for High Humidity PMs Filtration and Passive Physiological Monitoring

XU Mingwei¹, YANG Shangxue¹, LIU Guanlin¹, YANG Ting², ZHANG Yifan², ZHAO Yue³, LI Heguo³, ZHANG Mingming⁴, XU Huan²()

^1.School of Safety Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China
^2.School of Materials Science and Physics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China
^3.State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian，Beijing 100191，China
^4.China Academy of Safety Science and Technology，Beijing 100012，China

Received:2024-11-18 Online:2025-03-10 Published:2024-12-25
Contact: XU Huan E-mail:hihuan@cumt.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52404195);the National Key Research and Development Program, China(2024YFC3015003);the Research and Development Program of Beijing Municipal Education Commission, China(KM202310017002);the Key Science and Technology Program of CHN Energy Group(E210100285)

摘要/Abstract

摘要：

空气中细微颗粒物(PMs)和病毒能攻击人体呼吸系统，导致呼吸功能受损. 尽管生物基可降解聚乳酸(PLA)纳米纤维膜在空气净化领域有显著前景，但现有制备方法难以有效同时调控纤维微观结构、膜形态和驻极体性能. 本文提出有机-无机纳米杂化复合协同提升策略，采用静电纺丝PLA@TiO₂和电喷雾咪唑酸分子筛框架-8（ZIF-8）纳米电介质相结合的技术路线制备了PLA@TiO₂/ZIF-8(PLA@T/Z)纳米纤维膜，大幅提升了PLA纳米纤维膜的电活性和表面活性，其介电常数和表面电位分别可达3.47和8.5 kV. 在10 N和1 Hz接触-分离循环测试中， PLA@T/Z输出电压高达17.9 V，而在仿人呼吸条件下输出电流为32.1 nA. 得益于优异的驻极特性和电荷再生能力， PLA@T/Z展现了超高的PM_0.3过滤性能，在空气流速为85 L/min时能滤除90.4%的 PM_0.3，而压降仅为175 Pa；在相对环境湿度(RH)为90%时仍能滤除90.8%的PM_0.3(空气流速为32 L/min). 有机-无机纳米杂化复合体系结构的设计拓展了PLA纳米纤维膜在空气净化和自供能呼吸监测等领域的应用前景.

关键词: 空气过滤, 聚乳酸, 纳纤防护膜, 有机-无机杂化复合体, 无源监测

Abstract:

Particulate matters（PMs） and viruses in the air can attack the human respiratory system， resulting in impaired respiratory function. Although biodegradable polylactic acid（PLA） nanofiber membranes have significant prospects in the field of air purification， the existing preparation methods are difficult to effectively regulate fiber microstructure， membrane morphology and electret properties at the same time. In this paper， a synergic enhancement strategy of organic-inorganic nanohybrid composite was proposed， that is， the electrical activity and surface activity of PLA nanofibrous membranes（PLA@T/Z） were greatly improved by combining electrospinning PLA@TiO₂ and electrospray zeolite imidazolate framework-8（ZIF-8） nanodielectric. The dielectric constant and surface potential of PLA nanofibrous membranes（PLA@T/Z） could reach 3.47 kV and 8.5 kV respectively. In the 10 N and 1 Hz contact-separation cycle test， PLA@T/Z has an output voltage of 17.9 V， while in the simulated human breathing condition， the output current is 32.1 nA. Thanks to excellent electret characteristics and charge regeneration， PLA@T/Z exhibits superior PM_0.3 filtration performance［90.4% of PM_0.3 can be filtered at 85 L/min with a pressure drop of only 175 Pa and 90.8% of PM_0.3（32 L/min air flow rate） can still be filtered at a relative humidity（RH） of 90%］. The design of organic-inorganic nanohybrid composite system expands the application prospect of PLA nanofiber membrane in the fields of air purification and self-energy respiration monitoring.

Key words: Air filtration, Polylactic acid, Nanofibrous protective membrane, Organic-inorganic hybrid composite system, Passive monitoring

中图分类号:

O631

TrendMD:

徐明伟, 杨尚学, 刘冠林, 杨婷, 张一帆, 赵越, 李和国, 张明明, 徐欢. 面向高湿PMs滤除和无源生理监测的有机-无机纳米杂化电活性聚乳酸防护膜. 高等学校化学学报, 2025, 46(3): 20240513.

XU Mingwei, YANG Shangxue, LIU Guanlin, YANG Ting, ZHANG Yifan, ZHAO Yue, LI Heguo, ZHANG Mingming, XU Huan. Organic-inorganic Nanohybrid Electroactive Polylactic Acid Protective Membranes for High Humidity PMs Filtration and Passive Physiological Monitoring. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(3): 20240513.

图/表 11

Fig.1 SEM image(A) and FTIR spectrum(B) of ZIF⁃8 nanodielectric

Fig.2 SEM images(A—E) and diameter distributions(F—J) of pure PLA(A, F), PLA@T(B, G), PLA@T/Z⁃2(C, H), PLA@T/Z⁃4(D, I) and PLA@T/Z⁃6(E, J) nanofibrous membranes

Fig.3 Infrared spectral of pure PLA(a), PLA@T(b), PLA@T/Z⁃2(c), PLA@T/Z⁃4(d) and PLA@T/Z⁃6(e) nanofibrous membranesThe FTIR spectral ranges were 4000—650 cm-1（A）， 1411—1330 cm-1（B）， 1342—1296 cm-1（C） and 1857—1657 cm-1（D）， respectively.

Fig.4 Surface potential(A), dielectric constant(B), output voltage(C) and output current(D) of pure PLA, PLA@T, PLA@T/Z⁃2, PLA@T/Z⁃4 and PLA@T/Z⁃6 nanofibrous membranes

Fig.5 Stress⁃strain curves(A) and tensile strength and Young’s modulus(B) of pure PLA, PLA@T, PLA@T/Z⁃2, PLA@T/Z⁃4 and PLA@T/Z⁃6 nanofibrous membranes(A) a. Pure PLA; b. PLA@T; c. PLA@T/Z⁃2; d. PLA@T/Z⁃4; e. PLA@T/Z⁃6.

Fig.6 Self⁃powered nanofibrous membranes for physiological signal monitoringPlots of output voltage（A） and output current（B） of pure PLA， PLA@T， PLA@T/Z-2， PLA@T/Z-4 and PLA@T/Z-6 nanofibrous membranes tested by humanoid respirometer；（C） plots of output current of PLA@T/Z-6 nanofibrous membrane with normal breathing， deep breathing and tachypnea；（D） output current of PLA@T/Z-6 nanofibrous membrane running continuously for 800 s.

Fig.7 Filtration efficiency of pure PLA, PLA@T, PLA@T/Z⁃2, PLA@T/Z⁃4 and PLA@T/Z⁃6 nanofibrous membranes for PM0.3(A) and PM2.5(B) at different airflow rates with 45%RH

Fig.8 Filtration efficiency of pure PLA, PLA@T, PLA@T/Z⁃2, PLA@T/Z⁃4 and PLA@T/Z⁃6 nanofibrous membranes for PM0.3 at airflow rate of 32 L/min and ambient relative 90%RH

Fig.9 Pressure drop(B) and QF(C) of pure PLA, PLA@T, PLA@T/Z⁃4 and PLA@T/Z⁃6 nanofibrous membranes at different airflow rates(RH=90%)

Fig.10 PM0.3 and PM2.5 filtration efficiency under inspiratory flow rate of 81.6 L/min and and expiratory flow rate of 11.0 L/min(A) and plots of output current of pure PLA, PLA@T, PLA@T/Z⁃2, PLA@T/Z⁃4 and PLA@T/Z⁃6 nanofibrous membranes(B)

Fig.11 SEM images of pure PLA(A), PLA@T(B), PLA@T/Z⁃2(C), PLA@T/Z⁃4(D) and PLA@T/Z⁃6(E) nanofibrous membranes after filtration

参考文献 40

1	Yang Y.， Yang Y.， Huang J.， Li S.， Meng Z.， Cai W.， Lai Y.， Adv. Fiber. Mater.， 2023， 5（4）， 1505—1518
2	Zhou C.， Han W.， Yang X.， Fan H.， Li C.， Dong L.， Meng H.， Chem. Eng. J.， 2022， 433， 134069
3	Hu M.， Wang Y.， Yan Z.， Zhao G.， Zhao Y.， Xia L.， Cheng B.， Di Y.， Zhuang X.， J. Mater. Chem. A， 2021， 9（24）， 14093—14100
4	Cai C.， Liu Y.， Li L.， Dong T.， Chen W.， Zhou Z.， Li Q.， Sun Y.， Peng W.， Wang J.， Nie S.， Li X.， Chem. Eng. J.， 2023， 476， 146819
5	He W.， Guo Y.， Zhao Y.， Jiang F.， Schmitt J.， Yue Y.， Liu J.， Cao J.， Wang J.， Chem. Eng. J.， 2021， 423， 130247
6	Chen J.， Guo C.， Zhang Q.， Wu X.， Zhong L.， Zheng Y.， J. Membrane Sci.， 2023， 675， 121545
7	Bui T. T.， Shin M. K.， Jee S. Y.， Long D X.， Hong J.， Kim M.， Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Aspects， 2022， 640， 128418
8	Liang C. Y.， Li J.， Chen Y.， Ke L.， Zhu J.， Zheng L.， Li X.， Zhang S.， Li H.， Zhong G.， Xu H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2023， 15（49）， 57636—57648
9	Li X. C.， Tang M. K.， Zhu J. T.， He X. J.， Xu H.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（12）， 20230311
	李小川，唐梦珂，朱金佗，何新建，徐欢，高等学校化学学报， 2023， 44（12）， 20230311
10	Zhang Y. Y.， Kang L. J.， Han Z. L.， Zhao S. Z.， Zhao X. D.， Cao J. S.， Cheng Z. Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（6）， 1025—1032
	张莹莹，康立娟，韩櫂濂，赵圣哲，赵晓冬，曹金山，程志强. 高等学校化学学报， 2017， 38（6）， 1025—1032
11	Huang R. T.， Zhu G. Y.， Li X. Y.， Tang D. Y.， Zhang Y.， Wang B.， Zhu J. T.， He X. J.， Xu H.， Chem. J. Chinese Universities， 2024， 45（1）， 20230353
	黄荣廷，朱桂英，李欣雨，唐道远，张勇，王斌，朱金佗，何新建，徐欢. 高等学校化学学报， 2024， 45（1）， 20230353
12	Song X. Y.， Tang M. K.， Wang C. M.， Zhu J. T.， Huang S.， Xu H.， He X. J.， Chem. J. Chinese Universities， 2024， 45（2）， 20230352
	宋欣译，唐梦珂，王存民，黄胜，徐欢，何新建. 高等学校化学学报， 2024， 45（2）， 20230352
13	Wang Z.， Zhao C.， Pan Z.， J. Colloid Interf. Sci.， 2015， 441， 121—129
14	Zhao Y.， Ming J.， Cai S.， Wang X.， Ning X.， J. Hazard. Mater.， 2024， 465， 133232
15	Hu R.， Huang Q.， Liu G.， Jiao W.， Yang Q.， Wang X.， Yu J.， Ding B.， ACS Appl. Polym. Mater.， 2023， 5（6）， 4372—4379
16	Shi S.， Ming Y.， Wu H.， Zhi C.， Yang L.， Meng S.， Si Y.， Wang D.， Fei B.， Hu J.， Adv. Mater.， 2024， 36（17）， 2306435
17	Lan X.， Chen X.， Luo Y.， Lai X.， Bao Y.， Chen X.， Liu Y.， Zheng H.， Wang H.， Tang Y.， Chem. Eng. Sci.， 2023， 279， 118949
18	Lu Q.， Chen H.， Zeng Y.， Xue J.， Cao X.， Wang N.， Wang Z.， Nano Energy， 2022， 91， 106612
19	Li C.， Song W.， Sun D.， Zhang M.， Zhang J.， Chen Y.， Ramakrishna S.， Long Y.， Chem. Eng. J.， 2023， 452， 139428
20	Lee C.， Cho C.， Oh J H.， Compos. Part B Eng.， 2023， 255， 110622
21	Yang T.， Zhu X. J.， Zhang Y.， Ke L.， Zhu J. T.， Huang R. T.， Li S. H.， Zhu Y. B.， Zhang S.， Zhong G. J.， Xu H.， Int. J. Biol. Macromol.， 2024， 260， 129566
22	Zhu Q.， Tang X.， Feng S.， Zhong Z.， Yao J.， Yao Z.， J. Membrane Sci.， 2019， 581， 252—261
23	Wang Z. R.， Yang T.， Ke L.， Huang R. T.， Zhu J. T.， He X. J.， Xu H.， Metal Mine， 2024， 4， 252—261
	王志荣，杨婷，柯律，黄荣廷，朱金佗，何新建，徐欢. 金属矿山， 2024， 4， 252—261
24	Zhang M.， Sun Y.， Zhou X.， Yang K.， Sun L.， Qi C.， Zhang M.， Chem. Eng. J.， 2024， 479， 147595
25	Li X. Y.， Zhu G. Y.， Tang M. K.， Li T.， Wang C. M.， Song X. Y.， Zhang S.， Zhu J. T.， He X. J.， Hakkarainen M，， Xu H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2023， 15（22）， 26812—26823
26	Xu H.， Ke L.， Tang M. K.， Shang H.， Zhang Z.， Xu W.， Fu Y.， Wang Y.， Tang D.， Huang D.， Zhang S.， Yang H.， He X. J.， Gao J.， Int. J. Biol. Macromol. ， 2022， 216， 114—123
27	Kim M. P.， Lee G.， Noh B.， Kim J.， Kwak M. S.， Lee K. J.， Ko H.， Nano Energy， 2024， 119， 109087
28	Sun J.， Choi H.， Cha S.， Ahn D.， Choi M.， Park S.， Cho Y.， Lee J.， Park T. E.， Park J. J.， Adv. Funct. Mater.， 2022， 32（7）， 2109139
29	Wang Z. L.， Rep. Prog. Phys.， 2021， 84（9）， 342—345
30	Tang Y.， Xu B.， Gao Y.， Li Z.， Di T.， Li M.， Liu Y.， Huang J.， Nano Energy， 2022， 103， 107833
31	Ma H.， Luo C.， Zhao J.， Shao Y.， Zhang Y.， Liu X.， Li S.， Yin B.， Zhang K.， Ke K.， Zhou L.， Yang M.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2023， 15（31）， 37563—37570
32	Li J.， Jiang Q.， Sun L.， Zhang J.， Han Z.， Xu S.， Cheng Z.， Sep. Purif. Technol.， 2024， 328， 124969
33	Lee J.， Lee K.， Kim J.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2021， 13（1）， 1620—1631
34	Zhu G. Y.， Li X. Y.， Wang A.， Li T.， Zhu X.， Tang D.， Zhu J. T.， He X. J.， Li H.， Li S. H.， Zhang Y.， Wang B.， Zhang S.， Xu H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2023， 15（40）， 47145—47157
35	Wang C. M.， Song X. Y.， Li T.， Zhu X.， Yang S.， Zhu J.， He X.， Gao J.， Xu H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2023， 15（31）， 37580—37592
36	Wang Y.， Zhang X.， Jin X.， Liu W.， Nano Energy， 2023， 105， 108021
37	Peng Z.， Shi J.， Xiao X.， Hong Y.， Li X.， Zhang W.， Cheng Y.， Wang Z.， Li W. J.， Chen J.， Leung M.， Yang Z.， Nat. Commun.， 2022， 13（1）， 7835
38	Xie F.， Wang Y.， Zhuo L.， Ning D.， Yan N.， Li J.， Chen S.， Lu Z.， J. Hazard. Mater.， 2021， 412， 125260
39	Wang S.， Luo L.， Li Z.， Jin C.， Wang N.， Wang D.， Wu A.， Yan H.， Wang L.， Tian C.， J. Hazard. Mater.， 2022， 430， 128501
40	Jiang L.， Zhu X.， Li J.， Shao J.， Zhang Y.， Zhu J.， Li S. H.， Zheng L.， Li X.， Zhang S.， Li H.， Zhong G. J.， Xu H.， Sep. Purif. Technol.， 2024， 339， 126708

[1]	王圣程, 王存民, 郝雅馨, 朱桂英, 李欣雨, 宋欣译, 张明明, 徐欢, 何新建. PLA/ZIF-8-NS纳米纤维膜的制备及高效滤除超细颗粒物性能[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(2): 20240426.
[2]	王晨竹, 高明坤, 高艳静, 齐思贤, 于吉红. Beta@ZIF-67复合材料的制备及对聚乳酸塑料的催化降解性能[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(9): 20240221.
[3]	宋欣译, 唐梦珂, 王存民, 朱金佗, 黄胜, 徐欢, 何新建. 立构复合化聚乳酸纳纤膜的制备及高效滤除PM_2.5性能[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(2): 20230352.
[4]	石灵睿, 吴小雨, 曹海良, 何文涛. 磷氮改性埃洛石纳米管的制备及对聚乳酸阻燃、力学及紫外屏蔽性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(12): 20240323.
[5]	张广翔, 杨可, 杨佳怡, 刘阳, 郑松祺, 赵桂艳. 官能化PBAT的制备及对PBAT/TPS/PLA共混物的增容作用[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(12): 20240381.
[6]	王存民, 江亮, 李佳琪, 李欣雨, 张一帆, 袁慧, 张明明, 朱金佗, 徐欢, 雷磊, 侯冲, 郭震, 何新建. 高取向立构复合化聚乳酸超细纳米纤维膜的制备及长效驻极与滤除PM_0.3性能[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(10): 20240210.
[7]	黄荣廷, 朱桂英, 李欣雨, 唐道远, 张勇, 王斌, 朱金佗, 何新建, 徐欢. 电活性聚乳酸纳纤膜的形态调控及高效捕集PM_0.3性能[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(1): 20230353.
[8]	唐梦珂, 江亮, 徐文轩, 张子林, 唐道远, 黄东辉, 杨皓然, 高杰峰, 吉祥, 王延庆, 徐欢. 微波辅助仿生矿化增强石墨烯与聚乳酸的界面相互作用[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(4): 20220601.
[9]	李小川, 唐梦珂, 朱金佗, 何新建, 徐欢. 界面立构复合化电活性聚乳酸纳纤膜的制备及高效过滤性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230311.
[10]	马文龙, 郭状, 张威, 陈明星. PP/PMIA@PVDF-HFP纳米纤维复合滤材的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230344.
[11]	李真, 郝凯, 贺超良, 田华雨. PLGA-姜黄素纳米颗粒的制备及体外抗炎性能评价[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(10): 20230154.
[12]	高京, 何文涛, 王欣欣, 向宇姝, 龙丽娟, 秦舒浩. DOPO衍生物改性碳纳米管的制备及对聚乳酸阻燃性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210670.
[13]	徐欢, 柯律, 唐梦珂, 尚涵, 徐文轩, 张子林, 付亚男, 韩广东, 崔金声, 杨皓然, 高杰峰, 张生辉, 何新建. 液相剪切原位剥离蒙脱土纳米片增强高阻氧聚乳酸[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220316.
[14]	李欣宇, 李志伟, 张兴元. 硫磺素型聚乳酸/苯磺酸室温磷光体系的构建[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1987.
[15]	夏艺玮, 王光鑫, 冯玉林, 胡跃鑫, 赵桂艳. 生物基超韧聚乳酸复合材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1881.

面向高湿PMs滤除和无源生理监测的有机-无机纳米杂化电活性聚乳酸防护膜

Organic-inorganic Nanohybrid Electroactive Polylactic Acid Protective Membranes for High Humidity PMs Filtration and Passive Physiological Monitoring

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