松山湖材料实验室-广州大学合作发表ACS EST Engg: 调控MXene/PEO纳米纤维界面极化，实现高性能、可持续电响应气溶胶过滤

2026年8月，ACS ES&T Engineering期刊（环境科学与生态学2区）在线刊登了课题组的研究文章：Interfacial Polarization Engineering in MXene/PEO Nanofibers for High-Performance, Sustainable Electroactive Aerosol Filtration，调控MXene/PEO纳米纤维界面极化，实现高性能、可持续电响应气溶胶过滤（https://doi.org/10.1021/acsestengg.6c00449）。该论文共同第一作者为广州大学和松山湖材料实验室联合培养硕士方聪（已毕业）和三年级硕士生甘杨，通讯作者为松山湖材料实验室副研究员田恩泽。

【研究概述】

针对空气过滤中高过滤效率、低压降与环境可持续性难以兼顾的问题，本研究采用水系静电纺丝方法，将Ti3C2Tx MXene纳米片引入聚氧化乙烯（PEO）纳米纤维中，构建了MXene@PEO电活性过滤材料。MXene的引入不仅调控了纺丝液的电学与流变特性，促进纳米纤维细化，还通过MXene/PEO异质界面的界面极化显著增强材料的介电响应和外加电场下的电荷积累，从而强化静电颗粒捕集。优化后的M0.5@PEO滤材在0.053 m/s面风速下，对0.3 μm颗粒物的过滤效率达到99.3%，压降仅为10.8 Pa，并在30天测试中保持稳定的过滤性能。此外，水系制备避免了有毒有机溶剂的使用，实验结果表明该滤材可在水中90 s内完全溶解，体现出良好的环境友好特性和可持续应用潜力。该研究为兼顾高效、低阻与可持续性的电活性空气过滤材料设计提供了新的思路。

【研究内容】

（1）材料设计与制备

聚氧化乙烯（PEO）具有良好的水溶性，可直接以水为溶剂进行静电纺丝，有利于减少传统静电纺丝过程中有机溶剂的使用，同时为滤材后续的环境友好处置提供材料基础。Ti3C2Tx MXene具有较高的电导率和较强的界面极化能力，将其引入绝缘性的PEO基体后，可利用两种材料电学性质的差异形成MXene/PEO异质界面，为增强外加电场下的介电极化和电荷积累提供条件。因此，本研究以PEO作为水溶性纤维基体，以Ti3C2Tx MXene作为介电调控组分，构建MXene@PEO复合纳米纤维过滤材料。在外加电场作用下，MXene/PEO异质界面可促进电荷积累，从而增强纤维极化及静电颗粒捕集。

制备过程中，将不同含量的Ti3C2Tx MXene分散液与PEO水溶液混合形成纺丝前驱液，再通过水系静电纺丝制备不同MXene负载量的MXene@PEO纳米纤维膜（图1）。

图1. MXene@PEO纳米纤维膜静电纺丝过程示意图。

（2）MXene对纤维形成与介电性能的影响

材料表征结果显示，Ti3C2Tx MXene的化学组成通过XPS得到确认（图2a）。随着MXene含量增加，纺丝前驱液的电导率明显升高，同时绝对黏度和表面张力发生变化（图2b–d），表明MXene的引入能够调控静电纺丝液的物理性质，并进一步影响射流稳定性和纤维形成过程。以M0.5@PEO为例，其XPS谱图整体仍以C和O元素为主，与纯PEO较为相似（图2e），这与复合滤材中MXene负载量较低有关。介电性能测试进一步表明（图2f），MXene显著增强了纤维膜的介电响应，其中M0.5@PEO在500 Hz下的相对介电常数由纯PEO的1.208提高至49.66。该增强主要来源于MXene/PEO异质界面的Maxwell–Wagner–Sillars界面极化，使空间电荷在异质界面处积累，从而提高外加电场下纤维膜的极化能力和诱导电荷密度。

图2. MXene纳米片、静电纺丝前驱液和静电纺丝纤维的表征。(a) Ti3C2Tx的XPS谱图；(b–d)不同MXene负载量前驱液的电导率、绝对黏度和表面张力；(e–f)纯PEO及MXene@PEO纤维的XPS谱图和50 Hz–50 kHz范围内的相对介电常数。

SEM结果显示，纯PEO纤维平均直径为901 nm（图3a、e）；加入MXene后，纳米片以局部岛状结构分布在纤维网络中，并优先富集于纤维交汇区域（图3b–d）。这主要与刚性MXene纳米片和线性PEO分子链之间的几何与热力学不相容有关，使部分MXene在静电纺丝过程中向纤维表面及交汇区域迁移。随着MXene含量增加，纤维平均直径df由901 nm依次降低至470 nm和332 nm，随后在1.0 wt% MXene负载量下略增至387 nm（图3e–h）。其中，M0.5@PEO具有最窄的纤维直径分布和最小的平均纤维直径332 nm（图3g），反映出静电拉伸力、黏度与表面张力之间较优的平衡。此外，图3e–h显示各滤材的纤维填充密度φ仅为约2.0%–2.6%，对应孔隙率均高于97%，说明各滤材仍保持疏松多孔的纤维结构；随着MXene负载量增加，滤材面密度W由纯PEO的0.60 g/m²小幅增加至M1.0@PEO的0.70 g/m2。

图3. 静电纺丝滤材的SEM形貌及纤维直径分布。（a）纯PEO滤材；（b–d）不同MXene负载量的MXene@PEO滤材，其MXene含量分别为0.1、0.5和1.0 wt%；（e–h）不同MXene负载量滤材的纤维直径分布，对应MXene含量分别为0、0.1、0.5和1.0 wt%。φ为纤维填充密度，W为滤材面密度。

（3）MXene@PEO滤材的电活性过滤性能

过滤性能测试结果显示（图4a），施加外加电场后，纯PEO以及不同MXene负载量滤材的过滤效率均明显提高，其中纯PEO的过滤效率达到96.1%，M0.1@PEO、M0.5@PEO和M1.0@PEO分别达到98.9%、99.3%和99.8%。MXene@PEO滤材表现出更明显的静电增强效应，与其介电极化能力提高的结果相一致。随着过滤风速增加，各滤材的过滤效率逐渐降低（图4b），同时压降持续升高（图4c）。在0.053 m/s下，M0.5@PEO和M1.0@PEO的过滤效率分别达到99.3%和99.8%；但M1.0@PEO的压降达到50.2 Pa，而M0.5@PEO的压降仅为10.8 Pa。综合过滤效率与空气阻力，最终选取M0.5@PEO作为后续研究的优化滤材。

进一步研究颗粒荷电和纤维极化对M0.5@PEO过滤性能的影响（图4d）。在颗粒荷电电压Uc一定时，提高纤维极化电压Up仅使过滤效率小幅增加；相比之下，提高Uc能够显著增强过滤性能。当Up=16 kV时，随着Uc由0增加至12 kV，过滤效率由50.1%提高至99.3%，其中Uc=0–7 kV阶段过滤效率快速提升，这与电晕放电启晕及颗粒荷电效率迅速增加有关。

在优化电压Uc=9 kV、Up=16 kV下，M0.5@PEO对不同粒径颗粒物均表现出较高的过滤效率（图4e），其中对0.3、0.5和1 μm颗粒物的过滤效率均超过99%。进一步与商业口罩滤材(Comm.)及近十年报道的静电纺滤材(Refs.)进行比较（图4f），多数过滤效率超过99%的静电纺滤材压降高于40 Pa，而M0.5@PEO对0.3 μm颗粒物的过滤效率达到99.3%，压降仅为10.8 Pa，表现出较优的高效、低阻综合过滤性能。

图4. 静电纺丝MXene@PEO滤材的气溶胶过滤性能。(a) 0.053 m/s风速下，不同MXene负载量滤材对0.3 μm颗粒物的过滤效率；(b–c) Uc = 9 kV、Up = 16 kV时，不同过滤风速下的(b)过滤效率和(c)压降；(d) 0.053 m/s风速下，M0.5@PEO滤材在不同Uc和Up条件下对0.3 μm颗粒物的过滤效率；(e) 0.053 m/s风速、Uc = 9 kV、Up = 16 kV时，M0.5@PEO滤材对不同粒径颗粒物的过滤效率；(f) 本研究MXene@PEO滤材与商业口罩滤材及文献报道静电纺滤材的过滤效率和压降对比。

尽管静电辅助过滤需要施加外加电压，但颗粒荷电采用直流针板正电晕放电，其工作电流仅约28 μA；同时，纤维极化电流低于仪器检测限，因此外加电场带来的附加能耗相对有限。

（4）长期稳定性与环境友好性

为评价滤材的长期运行性能，在环境颗粒物条件下对M0.5@PEO进行了连续30天测试（图5a）。测试期间，对0.3 μm颗粒物的过滤效率始终保持在99%以上，波动范围为99.1%–99.8%，平均过滤效率为99.5%；压降保持在6.5–8.9 Pa之间，平均值为7.6 Pa，表明M0.5@PEO具有良好的长期过滤稳定性。

在制备过程方面，本研究采用去离子水作为静电纺丝溶剂，避免了二甲基甲酰胺（DMF）等常用有机溶剂带来的安全与环境风险（图5b）。急性吸入毒性通常用LC50值来描述，该值定义为在4小时的标准化暴露期内，导致50%的试验群体（通常为大鼠）死亡的空气中浓度。LC50值越低，表明急性毒性越强。文献分析表明，电纺过程中使用最频繁的溶剂二甲基甲酰胺(B)的LC50值较低，仅为5.9 mg/L。其他常用的有机溶剂，包括二甲基乙酰胺(A)、甲酸(C)、乙酸(D)、丙酮(E)和二氯甲烷(F)，在7.4–50 mg/L范围内。相比之下，本研究中使用的前体溶剂是去离子水(G)，其通常被认为无毒，LC50值超过5000 mg/L，体现了水系静电纺丝在绿色、安全制备方面的优势。

此外，M0.5@PEO滤材在水中逐渐溶解，并可在90 s内完全溶解（图5c），表明该水溶性纤维膜可在温和条件下进行后续处置与材料回收，为降低传统过滤材料焚烧或填埋所带来的环境负担提供了新的途径。

图5. 静电纺丝滤材的长期性能与可回收性能。(a) M0.5@PEO滤材在Uc = 9 kV、Up = 16 kV和0.053 m/s风速下的长期过滤效率和压降；(b)静电纺丝前驱液常用溶剂及其急性吸入毒性；(c) M0.5@PEO滤材在水中90 s内的溶解过程。

【作者介绍】

该论文共同第一作者为广州大学物理与材料科学学院已毕业硕士方聪。主要从事空气颗粒物净化与功能纤维过滤材料研究，重点开展纳米纤维材料制备、界面极化调控及电场强化过滤性能等方面的工作。

该论文共同第一作者为广州大学物理与材料科学学院三年级硕士生甘杨。主要从事功能纤维过滤材料与油性气溶胶净化研究，重点开展纤维表面改性、润湿性调控及电场协同强化过滤性能等方面的工作。

本文引用格式：

Cong Fang, Yang Gan, Jun Liu, Shaolin Zhang, Kehai Liu, Jinhan Mo, Enze Tian, Interfacial Polarization Engineering in MXene/PEO Nanofibers for High-Performance, Sustainable Electroactive Aerosol Filtration, ACS ES&T Engineering, 2026, 6(9): 2571–2580.

该工作受到国家自然科学基金项目、杭州钱塘教育基金会等资助，特此致谢。