研究背景：空气净化材料的困境与机遇

引言：随着全球工业化进程加速，空气污染已成为威胁公共健康的首要环境问题。细颗粒物（PM₂.₅、PM₀.₃）、生物气溶胶（细菌、病毒）和挥发性有机物（VOCs，如甲醛）的协同污染，每年导致约700万人过早死亡。现有商业过滤器（如熔喷聚丙烯纤维）存在四大局限：

• 制造复杂：依赖高能耗的熔喷工艺；
• 功能缺陷：对纳米级颗粒和VOCs捕获效率低（PM₀.₃去除率<50%）；
• 环境风险：不可降解，废弃滤材年增量超100万吨，成为微塑料污染源；
• 生物安全隐患：无杀菌功能，反而成为微生物滋生温床（如口罩二次传播风险）。

胶原纤维网络（CFNs）作为动物皮革加工的副产物，具备天然分级结构（分子→纳米原纤维→微米纤维束→3D网络）、可再生性和丰富表面官能团（-NH₂、-COOH），是理想的绿色替代材料。然而，天然胶原纤维因氢键作用紧密聚集为>5 μm的粗纤维束（图1B），导致孔隙率低（40.88%）、比表面积小，无法高效捕获纳米污染物。

四川大学生物质科学与工程/皮革化学与工程教育部重点实验室刘公岩教授 团队在 Nature Communications 发表《Nanofibrillated collagen fiber networks for enhanced air purification》的最新成果。该团队通过物理剪切-两性离子共聚物功能化-锆配位稳定三步法，将胶原纤维束纳米化并增强抗菌性，实现97% PM0.3 去除和93% 甲醛净化。这一成果为可持续、高效、低成本的空气过滤材料大规模应用提供了新思路。

创新亮点：三重协同策略突破性能瓶颈

四川大学团队提出“纳米原纤化-功能化-稳定化”一体化策略，首次实现胶原纤维从微米到纳米尺度的可控解聚与功能强化：

1.纳米原纤化结构设计

• 物理-化学协同解聚：

引入两性离子共聚物 PSG（聚磺基甜菜碱-甲基丙烯酸缩水甘油酯），其环氧基团与胶原羧基开环接枝，磺酸基团通过水合作用（hydration layer）促进纤维溶胀；

机械搅拌（45°C, 12h）破坏氢键，将5.4 μm纤维束解离为120 nm原纤维。

• 锆离子稳定化：

Zr⁴⁺与PSG的磺酸基配位，钝化胶原表面活性基团，抑制干燥过程中氢键重组；

pH调控（pH 2.0→4.0）形成多核配位交联网络，使孔隙率从40.88%提升至75.54%。

2.污染物协同捕获机制

• PM高效拦截：

纳米原纤维（120 nm）形成高曲折度通道，通过惯性碰撞、扩散捕获增强PM吸附；

亲水性调控（接触角从128°降至35°）实现吸湿性捕获，PM₀.₃去除率达97.3%（远超H13滤材的82.1%）。

• VOCs化学吸附：

暴露的氨基（-NH₂）与甲醛发生席夫碱反应（Schiff base），化学吸附效率达93%（原始CFN仅48%）；

FTIR证实C=N键形成（1630 cm⁻¹峰增强）。

3.自杀菌功能集成 

• 季铵盐-Zr⁴⁺协同杀菌：

Zr⁴⁺与磺酸基配位，增加季铵盐基团（-N⁺）周围电荷密度，增强静电破坏微生物膜能力；

对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的灭活率>99.99%，气溶胶捕获率>99%。

• 抗霉变性能：30天高湿环境（98% RH）下零霉变，而商用H13滤材3天即滋生黑曲霉。

4.全生命周期可持续性

• 可降解设计：

草酸/EDTA去除Zr⁴⁺后，15天内酶解率99%，63天土壤完全降解；

降解产物为无毒性肽段（LD₅₀ >5000 mg/kg）。

• 经济与环境优势：

成本仅$1140/吨（PP纤维$1437/吨）；

生命周期评估（LCA）显示，在18项环境指标中16项优于合成材料，海洋生态毒性降低47%。

核心实验：多尺度验证性能突破

1. 结构表征

• SEM/XRD：纳米原纤维形成蓬松网络，氢键特征峰（XRD 8°/19°）减弱；
• XPS/FTIR：Zr 3d峰（185 eV）和C-O-Zr键（531.6 eV）证实配位交联；
• DSC：PSG改性后水结合量从1.28 g/g提升至1.83 g/g，增强溶胀效应。

2. 净化性能测试

• 动态过滤系统：

• PM去除：Nano-CFN对PM₁₀、PM₂.₅、PM₀.₃去除率分别达99.8%、99.1%、97.3%；
• 甲醛吸附：93%去除率（10 ppm→0.6 ppm，200 min），5次循环稳定；
• 低风阻：压降低于3×H13滤材（0.44 m/s风速下<120 Pa）。

• 实用场景验证：

• 商用净化器搭载Nano-CFN，15分钟内将香烟PM₂.₅从>3000 μg/m³降至<35 μg/m³。

3. 抗菌机制解析

• CLSM/SEM：活/死菌染色显示Nano-CFN处理组红色荧光（PI）主导，证实膜破裂；
• 杀菌动力学：30分钟内灭活99.9%细菌；
• 长效性：50次循环后抗菌率>98%。

4. 环境与成本评估

• LCA分析（ISO 14040）：

• 全球变暖潜能（GWP）比PP滤材低32%；
• 能源消耗集中于原料阶段，可用皮革废料进一步降本。

• 工业级制备：成功制备85 cm×50 cm大尺寸膜，证实可规模化。

图文解读

图 1：胶原纤维网络的纳米原纤化过程与结构表征

展示了胶原纤维网络（CFNs）的纳米原纤化过程，包括 CFNs 的 3D 层级结构、氢键诱导的原纤聚集现象，以及通过引入 PSG 共聚物实现水合辅助原纤分散和锆基配位稳定纳米原纤化结构的两步法策略，还呈现了大面积 Nano-CFN 膜的照片、CFN 与 Nano-CFN 的横截面和表面 SEM 图像，以及纤维直径的统计分析结果。

图 3：纳米原纤化胶原纤维网络的空气净化性能评估

 

图 4：纳米原纤化胶原纤维网络的抗微生物及生物气溶胶清除能力

图 5：纳米原纤化胶原纤维网络的环境影响与经济可行性分析