东华大学俞建勇教授团队:构建赖氨酸功能化的柔性多孔碳纳米纤维膜以实现高效甲醛吸附

  • 发布时间:2025.06.09
  • 作者:wemaxnano

背景介绍:随着全球城市化进程加快,人们对室内环境质量的需求显著提升,但室内装饰材料释放的甲醛仍是一大健康威胁。甲醛被世界卫生组织列为致癌物,长期暴露在甲醛环境中会损害免疫系统与神经系统。当前甲醛治理方法中,吸附法因高效快速成为研究热点,但其依赖的多孔碳材料面临机械强度与柔韧性不足的瓶颈。传统零维颗粒吸附剂(如活性炭)存在粉末脱落、湿度敏感等缺陷,一维碳纤维虽具柔韧性但比表面积有限。而静电纺丝技术因可制备高比表面积、结构可调的纳米纤维也许可以成为突破方向。


近日,上海大学材料科学与工程学院、东华大学纺织学院俞建勇教授团队在《纺织研究所》期刊发布了“用于高效甲醛吸附的赖氨酸功能化柔性多孔碳纳米纤维膜(Construction of lysine-functionalized flexible porous carbon nanofiber membrane for high-efficiency formaldehyde adsorption)”的最新研究成果。该团队通过双喷嘴静电纺丝技术,成功制备出兼具卓越柔性和高效甲醛吸附性能的多孔碳纳米纤维膜(参见图1)。这为解决传统碳材料在柔性和吸附性能之间的矛盾提供了新途径,并为室内甲醛的净化提供了一种潜在的解决方案。

静电纺丝设备微迈科技-赖氨酸负载多孔串珠状碳纳米纤维膜的形成过程示意图1
图1:赖氨酸负载多孔串珠状碳纳米纤维膜的形成过程示意图 a. 静电纺丝 b. 前体纤维 c. 预氧化 d. 碳化 e. 赖氨酸浸渍 f. 柔性展示 g. 清洁空气


团队一种简便且通用的策略制备了该新型材料,即通过双喷嘴静电纺丝技术,使用不同浓度的聚丙烯腈(PAN)溶液纺出串珠状纤维和直纤维相互缠绕的网络结构。随后进行预氧化和碳化处理,形成分层微/介孔结构(参见图2)。 “珠 - 纤维” 结构不仅赋予纤维膜更大的比表面积,还通过应力分散机制赋予纤维膜优异的柔韧性。该多孔碳纳米纤维膜的柔软度可与非织造布相媲美,甚至显著低于纸巾,并且在 50% 变形下经历 1000 次屈曲循环后仍未受损(见图3)。

静电纺丝设备微迈科技-不同阶段碳纤维的形貌演变2
图2:不同阶段碳纤维的形貌演变 a. 静电纺丝过程中不同浓度溶液射流的拉伸过程示意图 b. 前体纤维的SEM图像 c. 预氧化后纤维的SEM图像 d. 碳化后纤维的SEM图像 e. 纤维直径变化 f. 不同阶段纳米纤维的FTIR光谱 g. 碳纳米纤维的氮气物理吸附等温线和孔径分布
 
静电纺丝设备微迈科技-CNFM的柔韧性表征 3
图3:CNFM的柔韧性表征 a. 软度测试仪用于表征不同样品的弯曲刚度 b. 薄无纺布、CNFM和薄纸的弯曲刚度对比 c. CNFM弯曲刚度的连续测试100次 d. CNFM的屈曲-恢复循环 e. 不同应变下CNFM的应力-应变曲线 f. CNFM在1000次屈曲循环中的最大屈曲应力 g. 在50%应变下CNFM的原位SEM图像


此外,通过动态浸渍赖氨酸,纤维膜获得协同的物理和化学吸附能力,使其在 20°C 和 60% 湿度条件下的甲醛吸附容量达到 3.44 mg/g,比未浸渍材料(0.8 mg/g)的吸附容量高了三倍以上(参见图4),表现出了卓越的甲醛吸附性能。从这个意义上讲,该材料克服了碳材料中刚性与吸附性能之间的传统权衡,为室内甲醛净化提供了一种可能的解决方案。

静电纺丝设备微迈科技-纤维浸渍前后的表征4
图4:纤维浸渍前后的表征 a. 浸渍前后纤维的FTIR光谱 b. 浸渍后纤维的SEM图像 c. 浸渍后纤维的EDS图像及对应的元素分布图 d. 浸渍前后纤维的接触角 e. 不同湿度下甲醛吸附测试及吸附动力学曲线拟合 f. 不同温度下甲醛吸附测试 g. 甲醛分子在纤维表面孔隙中的吸附示意图


综上所述,本研究构建了一种负载赖氨酸、由珠状纤维和传统直纤维组成的多孔碳纳米纤维膜,该膜展现出优异的柔韧性和高效的甲醛吸附性能。为开发能够在室温下高效净化室内甲醛的碳纤维材料提供了一种可能的途径。

本研究突破传统碳材料刚性与吸附性能的矛盾,展示了静电纺丝技术在环境功能材料中的应用潜力。电纺功能性材料离不开专业的设备,微迈实验级MN60电纺机,以多针智能下纺系统以及精准可控的制备条件,可满足各式功能性材料的配方试验研究与产业级放大。

 

 


文献来源:https://doi.org/10.1080/00405000.2025.2509334

 

 

 

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