近日，东北林业大学韩广萍教授、程万里教授、王栋副教授联合东华大学丁彬研究员、张世超研究员、清华大学危岩教授、南京林业大学岳一莹副教授合作，在国际顶级期刊《Nature Communications》 发表了题目为“Sustainable biomass-based filter for high-efficiency PM0.3 filtration”的一项突破性研究，成功开发出以玉米加工废弃物为原料的全生物可降解高效空气过滤器。该过滤器以玉米加工的农业废弃物（玉米蛋白和玉米秸秆纤维素）为原料，通过绿色静电纺丝策略，利用不完全非溶剂诱导相分离和纤维素引入，构建出由交替的带沟槽表面微纤维（2.61±1.11µm）和纳米纤维（0.29±0.18µm）组成的双网络结构。

重要研究成果：

• 其过滤性能优异，对 PM_0.₃的去除率超 99%

• 压降仅 45Pa，（远低于传统HEPA过滤器的数百帕级压降）

• 能有效吸附甲醛

• 完全可生物降解，在土壤中约 15 天可完全分解，生命周期评估显示其碳排放和环境影响低于石油基过滤器。

图 1 | 玉米基电纺纤维的可持续制备策略、纤维形成机制及双网络（D-net）结构。a 有助于绿色、循环和低碳发展的设计理念示意图。b 由动态溶剂交换驱动的不完全非溶剂诱导相分离。c 基于管状纤维模型的溶解度控制向内收缩示意图。d 由纤维素纳米纤维（CNFs）与玉米蛋白之间的粘弹性不匹配引起的射流分裂。e 双网络（D-net）结构示意图。f 由微米级纤维和纳米级纤维组成的玉米基双网络（D-net）过滤器的扫描电子显微镜（SEM）图像。g 本研究与以往报道的采用各种技术制备的过滤器在 PM_0.3过滤效率和压降下的对比^22-28。

关键技术突破：玉米基双网络的绿色制备

1、结构创新：微米-纳米纤维协同效应

本研究最大创新点在于通过静电纺丝技术一步构建了独特的“双网络结构”(D-net)：

• 微米级沟槽纤维（直径61±1.11µm）：表面具有纵向沟槽，增加比表面积

• 纳米级纤维（直径29±0.18µm）：填充微米纤维间隙，形成精细捕集网络

这种结构结合了两种尺度纤维的优势：微米纤维提供结构支撑并确保低气流阻力，而纳米纤维则实现超细颗粒的高效捕获。两者协同作用使过滤器在保持45Pa超低压降的同时，实现了对PM0.3颗粒近乎完美的捕获（99.9994%效率）。

2、绿色静电纺丝工艺：湿度调控与相分离控制

研究团队采用北京永康乐业静电纺丝设备实现了关键工艺突破——“不完全非溶剂诱导相分离” 技术：

• 高湿度环境控制：在90% RH环境中，乙醇/水溶剂（80：20 wt%）从射流中挥发

• 水蒸气渗透：环境水蒸气渗入纺丝射流，形成径向溶剂梯度

• 表面优先固化：纤维表面快速固化并收缩，形成纵向沟槽

• 纤维素纳米纤维(CNFs)引入：CNFs与玉米蛋白的粘弹性差异引发射流分裂，原位生成纳米纤维

这一过程巧妙地利用环境湿度调控和材料特性差异，一步法实现了传统工艺需要多步骤才能完成的微纳复合结构制备，且全过程无需有毒化学试剂。

图 2 | 玉米基过滤器的结构性能。（a）玉米蛋白纤维和（b）相对湿度 90% 条件下玉米蛋白 / 纤维素纳米纤维（CNFs）的扫描电子显微镜（SEM）图像。c 双网络（D-net）纤维的直径分布。d 带有荧光标记玉米蛋白（FITC - 玉米蛋白）和荧光标记纤维素纳米纤维（CW-CNFs）的双网络纤维的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像。e 玉米蛋白溶液和玉米蛋白 / 纤维素纳米纤维溶液的粘度随蒸发时间的变化。f 纤维素纳米纤维、双网络纤维、玉米蛋白纤维和原始玉米蛋白的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。g 带状、棒状和双网络结构的玉米基过滤器的孔隙率，以及 h 孔径分布。i 带状结构（相对湿度 30%）和棒状结构（相对湿度 90%）的纤维横截面扫描电子显微镜图像。

图 3 | 空气过滤和甲醛吸附的功能及机制。a 不同结构玉米基过滤器对 PM_0.3的过滤效率和压降。气流速度为 5.33 cm・s^-¹。b 不同基重的双网络（D-net）过滤器对颗粒物（PM）的过滤效率和压降。气流速度为 5.33 cm・s^-¹。c 不同气流速度下双网络过滤器对 PM_0.3的过滤效率和压降。基重为 11.6 g・m^-2。d 商用过滤器与双网络过滤器在过滤效率和压降方面的对比。e 玉米基双网络过滤器与商用高效空气过滤器（HEPA）的甲醛（HCHO）吸附效率对比。f 玉米基双网络过滤器因吸附甲醛而产生的相对重量增益随时间的变化情况。g 扫描电子显微镜（SEM）图像，展示了玉米基双网络过滤器的过滤行为（包括全结构过滤和筛分）以及对 PM_0.3的捕获机制（包括嵌入作用）。

图 4 | 玉米基过滤器的环境适用性。a 生命周期评估的系统边界。b 玉米基过滤器分别与聚酯织物、聚丙烯织物和玻璃纤维织物的环境影响对比。尺寸为 15.5 厘米 ×7.5 厘米的玉米基过滤器在不同环境中降解的数码照片，（c）为土壤环境，（d）为磷酸盐缓冲液（PBS）环境。

总之，该研究展示了一种通过绿色静电纺丝技术制备高效可持续空气过滤器的合成方法。所得纤维结构具有连续交织的双网络特征，由交替的两种纤维组成：一种是通过不完全非溶剂诱导相分离形成的表面带沟槽的微纤维（2.61±1.11 µm），另一种是由玉米蛋白与纤维素纳米纤维（CNFs）之间的粘弹性不匹配驱动射流分裂而形成的纳米纤维（0.29±0.18 µm）。

基于这种结构设计，作者提出了一种全结构过滤机制，其范围从整体过滤器到双网络再到单根纤维。这种玉米基双网络过滤器具有超轻的基重（10.2 g・m^-²），对 PM_0.3展现出优异的过滤性能，去除率高达 99.99% 以上，且压降较低（45 Pa）。重要的是，这种完全可生物降解的过滤器无需使用后的回收处理，提供了一种安全、低成本的生命周期末端解决方案，符合可持续发展原则。预计，这种极具吸引力的双网络过滤器既可作为独立过滤器使用，也可与呼吸器、窗纱和过滤罐等结合使用，将为基于生物质的高性能过滤器在个人防护、发动机进气、通风系统和医疗设备等领域带来广阔的应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61863-2