松山湖材料实验室-深圳大学合作发表Sep Purif Technol: 调控改性粗效纤维中氧化石墨烯的还原，实现高性能静电增强空气过滤
2026年6月，Separation and Purification Technology杂志（工程技术1区Top）在线刊登了课题组的研究文章：Tuning graphene oxide reduction in modified coarse filters for high-performance electrostatically assisted air filtration，调控改性粗效纤维中氧化石墨烯的还原，实现高性能静电增强空气过滤。（https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.138974）
【研究概述】
现有的静电增强空气过滤器（EAA）阻力较低，但过滤效率仍有提升空间。本研究以聚多巴胺（PDA）为介导层，将高介电常数的还原氧化石墨烯（rGO）负载到聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）粗滤材料上，并通过氢碘酸蒸汽还原，精确调控PDA/rGO@PET复合材料的介电常数和电导率。研究发现，还原程度过高会使涂层导电，进而产生电场屏蔽效应，削弱内部电场、降低过滤性能。由此可见，对于静电增强空气过滤器的纤维材料，关键设计参数不仅在于高相对介电常数，表面电阻也十分关键。在最优还原时间（2.5分钟）下，施加外部电压后，0.3–0.5 μm颗粒物的过滤效率从4.92%提升至99.94%，在0.053 m/s的风速下阻力仅为1.4 Pa。这一结果为兼具高效率、长期稳定性和超低阻力的静电增强空气过滤材料设计提供了思路，有望用于空气颗粒物的高效净化。
【研究内容】
(1) 材料设计与制备
氧化石墨烯（GO）具有较高的介电常数，且可通过调控还原程度来改变这一特性；聚多巴胺（PDA）具有类贻贝的黏附特性，适合作为粘合剂，将GO牢牢锚定在纤维表面。借助PDA和rGO的高介电常数，PDA/rGO@PET过滤器整体呈现出优异的介电性能。在EAA装置中，带正电荷的颗粒物经过极化纤维时，会因与纤维间的库仑力作用而被捕获（图1b），因此可以实现比一般机械过滤更高的效率（图1a）。随着高相对介电常数的GO或rGO的引入，其在外电场作用下，相比低相对介电常数的纤维（如PET）会产生更多的感应电荷，从而增加与颗粒物的库仑力作用，进一步提升过滤效率（图1c, d）。
图1. 在EAA过滤模块中，颗粒物与(a) PET、(b) PDA@PET、(c) PDA/GO@PET和(d) PDA/rGO@PET纤维之间的相互作用示意图。
以聚酯PET纤维为基材，通过液相反应制备了负载PDA和GO的复合纤维，再通过控制其在氢碘酸蒸汽中的处理时间来调节GO的还原程度，由此得到一系列不同还原程度的PDA/rGO@PET过滤器。SEM和EDS元素分布图显示，PDA和rGO成功地负载到了纤维表面，使纤维表面变得粗糙，但几乎不影响纤维间隙（如图2所示）。
图2. 未处理PET和PDA/rGO@PET-还原2.5分钟纤维材料的形貌表征。
(2) PDA和(r)GO涂层对PET过滤器过滤性能的影响
如图3所示，相比未处理的PET纤维过滤器，负载了具有高相对介电常数的PDA和rGO后，过滤器对0.3–0.5 µm颗粒物的过滤效率明显提高，从75.37%提高到了95.93%。
图3. (a)未处理PET和(b) PDA/rGO@PET-还原2.5分钟过滤器，在电压（Uc = 9 kV和Up = 20 kV）关闭或打开、风速为0.42 m s-1下对0.3–0.5 µm颗粒物的过滤效率。
不同还原时间对过滤效率的影响如图4a所示：随着还原时间增加，过滤效率先升高后降低，在还原时间为2.5分钟时达到最高（约96%）。如图4b所示，rGO的方阻随还原时间增加呈指数下降，说明材料的电导率在逐渐增大。在103 Hz的频率下，未处理PET，PDA@PET，PDA/GO@PET和PDA/rGO@PET-还原2.5分钟过滤器的εr分别为2.18，2.22，2.37和2.56。如图4c–e所示，较高的相对介电常数εr有助于增强纤维表面的介电极化，从而提高感应电荷密度，强化驱动静电颗粒捕获的局部电场（图4c和d），但当还原时间超过2.5分钟时，rGO涂层的电导率上升到足以重新分布表面电荷的程度，有效屏蔽了内部电场（图4e），从而降低了颗粒沉积的静电驱动力。
图4. (a)不同还原时间下的PDA/rGO@PET过滤器对0.3–0.5 µm颗粒物的过滤效率。(b)不同还原时间下硅片上氧化石墨烯涂层的方阻。(c–e)还原时间为(c) 0, (d) 2.5, (e) 20分钟的PDA/rGO@PET过滤器捕获颗粒物的有效电场示意图。
(3) 不同条件下的过滤性能
我们针对PDA/GO@PET-还原2.5分钟过滤器，分别测试了其在不同电压、不同风速下的过滤性能，以及长期运行表现。
如图5a所示，在极化电压Up为0时，只给颗粒物荷电，带电颗粒物与未极化纤维之间会产生镜像力，增大放电电压Uc，镜像力逐渐增强，过滤效率逐渐升高，效率从Uc为0 kV时的4.88%提升到了Uc为11 kV时的86.79%；在放电电压Uc为0时，增加Up，中性颗粒物与极化纤维之间会产生介电泳力，过滤效率大幅度提高，过滤效率从4.88%提升到了57.09%；在放电电压和极化电压同时存在时，带电颗粒物与极化纤维之间会产生库仑力，随着放电电压的增大，库仑力逐渐增强，过滤效率也逐渐升高，在Uc为11 kV，Up为20 kV时，过滤效率最高，为99.53%。
质量因子（QF）考虑了过滤效率和阻力，QF值越大，材料的过滤性能越好，如图6b，放电电压Uc越大，过滤器的过滤性能越好。但是过高的电压会带来较高的能耗，而综合质量因子（CQF）在QF的基础上考虑了能耗，是评价材料性能与能耗平衡的一个重要指标。如图5b所示，随着放电电压Uc的增大，CQF先升高后下降，在放电电压Uc为0 kV时CQF最高（0.103 Pa-1），但是此时过滤效率不够高。考虑到CQF达到较高的水平（0.089 Pa-1）和超过98%的过滤效率，选择了9 kV为最佳Uc，20 kV为最佳Up。
图5. EAA PDA/rGO@PET-还原2.5分钟过滤器在不同电压下的过滤性能
随着风速增大，过滤器的过滤效率逐渐降低、阻力逐渐增大。但即使在0.45 m s-1的风速下，过滤效率仍有95.99%，阻力仅为18.8 Pa。
图6.EAA PDA/rGO@PET-还原2.5分钟过滤器在不同风速下的过滤性能
对PDA/GO@PET-还原2.5分钟过滤器进行了长期性能测试（如图8a和b），其240小时0.3–0.5 μm颗粒物平均过滤效率达99.55%，平均阻力为1.4 Pa。图8c汇总了同一风速下已知的静电过滤器与非静电过滤器的过滤性能，相比之下，得益于过滤器的高效率和低阻力，本研究的QF值（5.3 Pa-1）远高于其他过滤器。
图7. Uc = 9 kV、Up = 20 kV和风速为0.053 m s-1时PDA/rGO@PET-还原2.5分钟过滤器的长期性能，包括(a) 对0.3–3 µm颗粒物的过滤效率和(b) 阻力。(c) 与文献中静电过滤器与机械过滤器的性能对比
作者介绍：
周二威 深圳大学土木与交通工程学院硕士生
该论文的第一作者为深圳大学土木与交通工程学院一年级硕士生周二威，他致力于空气颗粒物净化技术、过滤纤维材料制备、电场强化传质相关研究，以第一作者发表SCI论文一篇。
本文引用格式：
Erwei Zhou, Jun Liu, Yang Gan, Lumin Chen, Ruijie Xie, Enze Tian*, Jinhan Mo, Tuning graphene oxide reduction in modified coarse filters for high-performance electrostatically assisted air filtration, Separation and Purification Technology, 2026, 405, 138974. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.138974
该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52408122, 52325801, U25A20341）资助，特此致谢。
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