直接MOF化诱导电活性高透气聚乳酸Janus纳纤滤膜

doi:10.7503/cjcu20250215

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (11): 20250215.doi: 10.7503/cjcu20250215

直接MOF化诱导电活性高透气聚乳酸Janus纳纤滤膜

张龙¹, 马良¹, 徐超², 吴洋², 高娜², 汪少振³, 李欣雨³, 王存民³, 徐欢², 张生辉²()

^1.湖北汽车工业学院汽车工程学院，汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室, 十堰 442002
^2.中国矿业大学材料与物理学院
^3.安全工程学院，徐州 221116

收稿日期:2025-07-31 出版日期:2025-11-10 发布日期:2025-09-16
通讯作者: 张生辉 E-mail:zhangshenghui@cumt.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2024YFC3015003);国家重点研发计划项目(2023YFC3011704);国家能源集团重点科技攻关项目(E210100285);中国矿业大学研究生创新计划项目(2024WLKXJ140);中国矿业大学研究生创新计划项目(2024WLJCRCZL276);中国矿业大学研究生创新计划项目(2024WLKXJ143);中国矿业大学研究生创新计划项目(2024WLJCRCZL272);中国矿业大学研究生创新计划项目(2024WLJCRCZL195);中央高校基本科研业务费专项资金(2024-10967);中央高校基本科研业务费专项资金(2024-10958)

Highly Electroactive and Permeable Janus Filter Membranes by Direct MOF Functionalization of PLA Nanofibers

ZHANG Long¹, MA Liang¹, XU Chao², WU Yang², GAO Na², WANG Shaozhen³, LI Xinyu³, WANG Cunmin³, XU Huan², ZHANG Shenghui²()

^1.School of Automobile Engineering，Hubei Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronic Control，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China
^2.School of Materials Science and Physics
^3.School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China

Received:2025-07-31 Online:2025-11-10 Published:2025-09-16
Contact: ZHANG Shenghui E-mail:zhangshenghui@cumt.edu.cn
Supported by:
the National Key Research and Development Program, China(2024YFC3015003);the Key Research and Development Project of CHN Energy Investment Group, China(E210100285);the Graduate Innovation Program of China University of Mining and Technology(2024WLKXJ140);the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(2024-10967)

摘要/Abstract

摘要：

通过微波辅助合成法高效可控制备了高介电纳米晶锆-富马酸金属有机框架(MOF-801), 利用“静电纺丝-喷雾”策略将MOF-801纳米晶锚定于聚乳酸纤维表面, 构筑了一种特殊的Janus结构. 高介电MOF-801纳米晶显著提高了聚乳酸纤维的驻极效果, 使聚乳酸(PLA)纤维膜具有高介电常数(2.5)和初始表面电势(5.6 kV)等高电活性及优异的电荷储存和再生能力. Janus结构具有多种过滤效应协同作用, 可分级捕获不同粒径的细颗粒物(PMs). 即使处于最高的气体流速下(85 L/min), 聚乳酸Janus纳纤滤膜(J-PLA/MOF)也可达到超高的PM_0.3过滤效率(96.4%)和低空气阻力(121.5 Pa). 同时, 在100 Pa压差测试条件下, J-PLA/MOF纤维膜的气体分子通过速率最高可达225.1 mm/s, 明显高于Normal PLA(气体分子透过速率102.2 mm/s). 由于适量高表面活性MOF-801纳米晶的锚定, J-PLA/MOF纤维膜的力学性能有所改善, 其抗拉强度和杨氏模量分别高达4.7 MPa和100.3 MPa. 本文制备的J-PLA/MOF可降解纤维膜在超细PMs过滤研究中具有广阔的应用前景.

关键词: 超细颗粒物, 聚乳酸纤维, 金属有机框架化, Janus结构, 透气性

Abstract:

Developing high-performance air filtration materials is of great significance in the increasingly harsh air environment. In this study， nanocrystalline metal-organic framework-801（MOF-801） was efficiently and controllably prepared via microwave-assisted synthesis. Subsequently， an electrospinning-electrospray strategy was employed to anchor the MOF-801 nanocrystals onto the surface of poly（lactic acid）（PLA） fibers while designing a unique Janus structure. The high-dielectric MOF-801 nanocrystals significantly enhanced the electret effect of PLA fibers， imparting high dielectric constant（2.5） and initial surface potential（5.6 kV） to the PLA fibrous membrane， along with excellent charge storage and regeneration capabilities. The Janus structure exhibits synergistic effects of multiple filtration mechanisms， enabling hierarchical capture of particulate matters（PMs） with different particle sizes. Even under the highest airflow rate（85 L/min）， the J-PLA/MOF fibrous membrane achieved ultra-high PM_0.3 filtration efficiency（96.4%） and low air resistance（121.5 Pa）. Additionally， under a differential pressure of 100 Pa， compared to the low air permeability（102.2 mm/s） exhibited by Normal PLA， the air permeability rate of the J-PLA/MOF fibrous membrane could reach up to 225.1 mm/s. Due to the anchoring of an appropriate amount of highly surface-active MOF-801 nanocrystals， the mechanical properties of the J-PLA/MOF fibrous membrane were improved， with tensile strength and Young's modulus reaching as high as 4.7 MPa and 100.3 MPa， respectively. The J-PLA/MOF biodegradable fibrous membranes designed in this study held great potential for applications in ultrafine PMs filtration.

Key words: Ultrafine particulate matter, Poly（lactic acid） fiber, Metal-organic framework functionalization, Janus structure, Air permeability

中图分类号:

O631

TrendMD:

张龙, 马良, 徐超, 吴洋, 高娜, 汪少振, 李欣雨, 王存民, 徐欢, 张生辉. 直接MOF化诱导电活性高透气聚乳酸Janus纳纤滤膜. 高等学校化学学报, 2025, 46(11): 20250215.

ZHANG Long, MA Liang, XU Chao, WU Yang, GAO Na, WANG Shaozhen, LI Xinyu, WANG Cunmin, XU Huan, ZHANG Shenghui. Highly Electroactive and Permeable Janus Filter Membranes by Direct MOF Functionalization of PLA Nanofibers. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(11): 20250215.

图/表 7

Fig.1 Microscopic characterization of MOF⁃801 nanocrystals（A） Digital photograph；（B） low-magnification SEM image；（C） high-magnification SEM image；（D） histogram of measured nanocrystal diameter distribution；（E） EDS elemental distribution map；（F） nitrogen adsorption- desorption isotherm.

Fig.2 FTIR spectrum(A) and XRD pattern(B) of MOF⁃801 nanocrystals

Fig.3 SEM images(A1—D1, A2—D2) and corresponding fiber diameter histograms(E—H) of Normal PLA(A1, A2, E), J⁃PLA/MOF3(B1, B2, F), J⁃PLA/MOF6(C1, C2, G) and J⁃PLA/MOF9(D1, D2, H)

Fig.4 Chemical analysis of J⁃PLA/MOF fibrous membranesEDS element scan image（A） and EDS elemental distribution map（B） of C， O and Zr；（C） FTIR spectrum in the range of 4000—650 cm-1；（D） XRD patterns in the range of 5°—50°.

Fig.5 Electroactivity of J⁃PLA/MOF fibrous membranes（A） Dielectric constant；（B） initial surface potential；（C） schematic diagram of homemade TENG operation；（D） COMSOL simulation of potential changing during TENG operation；（E） short-circuit current during TENG operation；（F） open-circuit voltage.

Fig.6 Testing of the filtration performance of J⁃PLA/MOF fibrous membranes（A）—（D） Air filtration efficiency and corresponding pressure drop at airflow rate of 10 L/min（A）， 32 L/min（B）， 65 L/min（C） and 85 L/min（D） of J-PLA/MOF. （E） QF at different airflow rates；（F） air filtration performance of Normal PLA， J-PLA/MOF6， Janus-PLA and PLA/MOF6 at an airflow rate of 85 L/min；（G） results of long-term air filtration test of J-PLA/MOF6；（H） results of air permeability test under 100 Pa differential pressure of J-PLA/MOF.

Fig.7 Stress⁃strain curves(A), tensile strength and extension at max force(B) and Young’s modulus and elongation at break(C) of J⁃PLA/MOF fibrous membranes

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