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缩小差距——MXene涂层空气过滤器显示出增强的性能和可重复使用性

本站发布时间:2025-02-28 16:20:23

尽管新冠肺炎大流行后空气过滤技术有所改进,但一些最小的颗粒——汽车和工厂排放的颗粒——仍然可以通过效率较低但常见的过滤器。德雷塞尔大学工程学院的一个跨学科研究团队介绍了一种新的方法,通过在织物过滤器上涂覆一种名为MXene的二维纳米材料来改进它们

最近发表在《C--碳研究杂志》上,该团队的研究报告称,一种非织造聚酯织物——一种低成本、低过滤效率的材料——涂有一层薄薄的MXene纳米材料,可以将其变成一种强大的过滤器,能够从空气中提取一些最细的纳米粒子

德雷塞尔工程学院教授、该研究的合著者Michael Waring博士说:“对于普通过滤器来说,处理小于100纳米的颗粒物可能是一项挑战,其中包括工业过程和汽车排放的颗粒物。”。“能够通过简单的涂层工艺增强过滤器,使其有效对抗这些排放是一个重大的发展。”

研究人员报告说,涂有碳化钛MXene的聚酯织物对小至15-30纳米的颗粒(病毒和最细的灰尘颗粒的大小)的过滤效率可达90%左右,这意味着它可以作为城市或工业环境中空气过滤器的增强工艺

MXenes是Drexel研究人员在2011年发现的一个纳米材料家族,之前已经证明了其在过滤应用方面的熟练程度,包括水处理、肾透析和氢气捕获。这些材料还表明,它们可以增强在医疗环境中去除空气传播病毒的过滤器

“随着生产量的增加和价格的下降,MXenes的应用越来越多,”著名大学博士、工程学院巴赫教授Yury Gogotsi说。他领导了材料的开发,也是发现MXenes并创立MXenes,股份有限公司的研究人员之一,该公司目前正在生产MXenes。“特别是在需要大量材料的领域。”

这一最新发现是探索纳米材料的重要一步,因为它表明了它们能够对抗空气中的一些最小颗粒,并且它们可以很容易地集成到过滤器制造过程中

Gogotsi说:“我们正在进行的研究继续揭示了MXene涂料的潜力。”。“这种高导电性纳米材料也是亲水性的,这意味着它可以分散在水中,产生一种可以很容易地应用于几乎任何基材的涂层,包括空气过滤器。我们只是触及了其功能的表面。”

在测试MXene涂层过滤器的过程中,研究小组又发现,用镁盐预处理过滤器有助于MXene涂层过程,并将过滤器的性能提高了25%,从而使病毒大小的纳米颗粒的最大效率达到约90%,而许多常见的过滤器都无法捕获病毒大小的纳米粒子

添加碱土金属离子,如镁,改善了MXene涂层工艺。根据研究人员的说法,这种化学制剂进一步激活了MXene的表面,这有助于材料在过滤器上均匀扩散,在材料中形成更厚的涂层和更复杂的通道,所有这些都有助于提高过滤能力

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研究人员在含有雾化氯化钠(岩盐)的真空密封室中测试了未经处理、MXene涂层和MXene涂层以及镁离子处理的过滤器,并测量了5.6至560纳米的颗粒去除率。经过MXene涂层和镁离子处理的过滤器在捕获低至15纳米范围内所有尺寸的颗粒方面的表现明显优于其他两种过滤器

除了改善过滤的能力外,MXenes还具有高导电性——研究人员推测,这一特性可以用来使过滤器能够自我清洁。他们通过向涂有MXene的过滤器施加电流来测试这一想法,该过滤器将温度升高到100摄氏度,足以小心地烧掉过滤器上的一些颗粒和碎片,恢复其原始的过滤质量

“这样的研究对MXenes在空气过滤中的实际应用是令人鼓舞的,”工程学院材料科学与工程本科生Prastuti Upadhyay说,他由德雷塞尔博士后研究员Stefano Ippolito博士指导,是该论文的主要作者。“但应该指出的是,我们的空气过滤器仍然可以通过专注于优化MXene结构、预处理离子和过滤器基材来改进。这为这一系列研究留下了许多令人兴奋的可能性。”

More information: Prastuti Upadhyay et al, Nanoparticle Air Filtration Using MXene-Coated Textiles, C — Journal of Carbon Research (2025). DOI: 10.3390/c11010013

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