如何開發(fā)凈化效率高、使用壽命長、無需復(fù)雜維護的凈化系統(tǒng),解決傳統(tǒng)行業(yè)的痛點?廈門大學(xué)侯旭教授團隊突破面向空氣凈化的未來技術(shù),為空氣凈化器的設(shè)計提供了全新的液體門控思路。9月26日,這項最新研究成果在Nature線上發(fā)表。廈大化學(xué)化工學(xué)院博士生張運茂為該論文的第一作者,化學(xué)化工學(xué)院、物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院雙聘教授侯旭為獨立通訊作者。

該研究首次運用“響應(yīng)性液體門控技術(shù)”提出不同微尺度顆粒物在水界面上的高效過濾與吸收的核心機制,打通了現(xiàn)有空氣凈化中從過濾吸收、防污防腐、抗菌除臭到長期運行的技術(shù)難關(guān),解開了液體作為結(jié)構(gòu)與功能材料如何實現(xiàn)電化學(xué)可控微泡及其三相界面上高效傳質(zhì)的難題。
突破:門控液體助力空氣凈化
空氣污染物中的顆粒物濃度是空氣污染的一項重要指標。它由固體、液體、有機和無機物質(zhì)顆粒的復(fù)雜懸浮混合物組成,具有較大危害性。
如何去除這些顆粒物?目前直接有效的方式仍然是使用各種空氣過濾凈化系統(tǒng)。但缺點在于,這些系統(tǒng)多由多層纖維膜或多孔材料組成的過濾膜單元構(gòu)成,隨著顆粒物在其表面和內(nèi)部孔隙的堆積,這些過濾單元將不可避免地遭受堵塞問題,容塵能力從根本上限制了這類過濾裝置的效率和使用壽命。
侯旭團隊首創(chuàng)特定功能液體作為結(jié)構(gòu)與功能材料,通過調(diào)控顆粒物與液體之間相互作用進而控制空氣——水界面上的物質(zhì)傳遞。該方法將傳統(tǒng)固體材料對污染物過濾所使用的有效表面積,轉(zhuǎn)換為液體材料對污染物過濾吸收的有效體積,既提高凈化效率,也增大凈化器的塵容量。
利用門控液體作為主要過濾材料,可以實現(xiàn)管路連接、自動化、程序化控制,進一步實現(xiàn)免維護、高效、低成本的系統(tǒng)運行。這意味著,未來該技術(shù)將為工業(yè)、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域急需的防治大氣污染、提升空氣質(zhì)量、改善人居環(huán)境等環(huán)保、健康、民生問題提供保障。

△ 電化學(xué)響應(yīng)性液體門控水界面上的過濾與吸收機制示意圖
“我們還可以按照需要設(shè)計功能液體,賦予空氣凈化液門系統(tǒng)實現(xiàn)定制化凈化需求,比如,抗菌能力、耐腐蝕能力等。”侯旭介紹。
也就是說,該電化學(xué)液門空氣凈化系統(tǒng)還可與人工智能、微流控技術(shù)等集成應(yīng)用,有望實現(xiàn)智能空氣凈化,滿足不同環(huán)境下的空氣凈化需求。
幕后:5年時光只專注一件事
第一作者張運茂于2017年考入廈大,進入侯旭課題組。在五年的時光里,在導(dǎo)師指導(dǎo)和鼓勵下,他潛心研究,專注于基于電化學(xué)體系的液體作為功能門控材料的研究。

△ 侯旭(左一)和張運茂在實驗室里探討實驗方案
不懈堅持終于得見曙光。“隨著該技術(shù)的突破,未來也有望將促進微型反應(yīng)器的設(shè)計與開發(fā)并助力二氧化碳催化、乳化、化妝品、制藥等應(yīng)用領(lǐng)域的新技術(shù)研發(fā)。”張運茂信心滿滿,“值得一提的是,侯老師一直教導(dǎo)鼓勵我要沉下來,重視創(chuàng)新科研思維的訓(xùn)練,做0到1的研究。科研中要去開發(fā)我們自己的‘殺手锏’,可以說我們的核心實驗數(shù)據(jù)都是使用我們課題組自主研制的測試表征系統(tǒng),這些自研設(shè)備極大地豐富了我們實驗過程中的測試手段和加深對實驗新現(xiàn)象的機理理解?!?/span>
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05124-y
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