空气净化材料长期面临一个看似简单、实际上很难同时解决的问题：过滤效率、使用寿命和运行成本往往难以兼顾。传统孔过滤材料主要依靠机械拦截颗粒，提高过滤效率通常意味着减小孔径或增加材料厚度，但随之而来的往往是更高的空气阻力和更快的孔道堵塞。驻极过滤材料虽然能够借助静电作用提高颗粒捕获效率，却又面临电荷衰减和表面颗粒持续累积的问题。对于长期运行的空气净化系统而言，如何既“抓得住”，又“不容易堵”，仍然是一个重要挑战。
针对这一问题，厦门大学侯旭教授和华侨大学张运茂研究员提出了一种电荷诱导液体衬里过滤器（charge-induced liquid-lined filter，CILF）。与传统过滤材料将污染颗粒持续堆积在固体表面不同，该体系利用电荷诱导将颗粒主动引向液体界面，再通过毛细作用完成快速捕获，并进一步将颗粒转移到液体内部，从而将传统“表面过滤”转变为“液相体积吸收”。在1 m s⁻¹迎面风速下，该过滤器单程净化效率最高达到99.6%，并在超过3500 h连续运行中保持高净化效率和稳定的低压降。进一步构建的全尺寸空气净化器实现377 m³ h⁻¹的洁净空气量，并被拓展到可穿戴口罩、室内空气净化以及面向微重力环境的空气净化系统。相关成果以“Highly efficient air purification by a charge-induced liquid-lined filter”为题发表于《Nature Sustainability》，张俭和李铭为共同第一作者。
研究首先从传统空气过滤器为什么容易堵塞出发。普通孔过滤材料依靠机械拦截，颗粒逐渐沉积在纤维和孔道表面；静电过滤材料则主要依靠预先储存在材料中的电荷吸引颗粒。无论采用哪一种方式，被捕获的颗粒最终大多仍停留在固体表面，随着运行时间延长，颗粒积累会导致孔道缩小甚至堵塞，压力损失随之增加。CILF则改变了这一过程。作者将连续的功能液体稳定地负载在多孔骨架表面，形成液体衬里，并与电荷诱导区域耦合。颗粒从进入过滤区域到最终被固定，大致经历三个连续阶段。首先是长程电荷诱导吸引。空气中的颗粒在电场作用下发生极化，其运动轨迹偏离原有气流线，并逐渐向接地的液体衬里方向运动。随后，当颗粒接触液–气界面后，进入第二阶段，即快速界面捕获。液体会在颗粒周围形成弯月面，由此产生较强的毛细作用力，使颗粒迅速被固定在液体界面，而不容易被气流重新带走。最后，被捕获的颗粒进一步进入液体内部，形成液相体积吸收。动态液体衬里能够不断将污染物从孔道入口向液相内部转移，同时重新暴露新的捕获界面。这样一来，颗粒不再长期堆积在孔口附近，孔道也就更不容易发生堵塞。
图 1电荷诱导液体衬里过滤器的空气净化原理与三阶段捕获机制
有了这一设计，接下来最重要的问题就是：液体如何稳定地附着在过滤骨架上？而颗粒接触液体以后，又为什么能够被牢牢固定？作者首先通过刻蚀和表面改性调控固体基底的润湿性，使其由非润湿状态逐渐转变为超润湿状态。经过处理后，功能液体能够沿孔壁均匀铺展并形成连续的液体衬里。这里的关键并不是简单追求“越亲液越好”，而是让固–液界面处于一个适宜的黏附区间，既能够保证液体在气流作用下稳定存在，又保留液体自身的界面流动能力。为了进一步量化液体界面对颗粒的捕获作用，研究人员采用胶体探针原子力显微镜测量不同界面的颗粒黏附力。传统棉纤维过滤材料对颗粒的黏附力约为8.5 nN，熔喷PP静电过滤材料约为78.5 nN；相比之下，水液体衬里的黏附力达到约750.5 nN，硅油液体衬里达到约819.0 nN。如此显著的差异主要来自颗粒接触液体后形成的弯月面以及由此产生的毛细作用。也就是说，CILF并不是单纯依靠更强的静电作用来“吸住”颗粒，而是在电场完成远程引导后，再由液体界面负责真正的稳定捕获。
更关键的是，液体体系能够进一步让颗粒进入内部。实验中，固体表面只能让颗粒逐渐累积在外层，而功能液体则能够让颗粒穿过界面并分散到液体体相。结果显示，固体体系的捕获容量为24.0 g kg⁻¹，而液相体系达到109.9 g kg⁻¹，约为固体体系的4.58倍。这说明液体衬里的作用不仅是“黏得更牢”，还将污染物储存空间从二维表面拓展到了三维液相。
图 2液体衬里的界面设计与颗粒捕获机制
在明确界面捕获机制后，作者进一步在工业标准测试条件下系统评价了CILF的空气净化性能。核心测试采用1500 μg m⁻³气溶胶浓度和1 m s⁻¹迎面风速，以模拟高通量空气净化条件。作者首先优化了滤材结构。随着过滤器由单层平面结构逐渐转变为折叠多层结构，空气在不同过滤层之间发生重新分配，颗粒与液体界面的接触机会增加。不过，增加层数也会带来额外的空气阻力。因此，过滤效率与压降之间仍然需要寻找平衡。结果表明，折叠双层结构在过滤效率和压力损失之间表现出较好的综合性能。与商业孔过滤材料和静电过滤材料相比，CILF表现出更高的综合品质因子。更值得关注的是长期运行结果：在超过3500 h的连续空气净化测试中，CILF的净化效率始终维持在99%以上，同时压力降保持在相对稳定的较低水平。传统固体过滤器在运行过程中，颗粒逐渐堆积在孔隙入口，导致压力降不断增加；而CILF中的颗粒会在液体内部重新分布，因此孔道能够长期维持开放。论文中的过滤前后显微结构也显示，商业固体滤材出现明显颗粒堆积，而液体衬里孔道并未出现同样程度的堵塞。除了颗粒物，作者还利用甲醛考察了CILF处理气态污染物的潜力。功能液体能够通过液相吸收快速降低甲醛浓度，而常规静电过滤材料几乎没有明显去除效果。这也表明，通过进一步调控功能液体的化学组成，CILF未来可能从单一颗粒物过滤拓展到更加复杂的多污染物净化。
图 3CILF的高效空气净化与长期抗堵塞性能
最后，作者进一步将CILF从实验室过滤单元推向实际空气净化场景。在个人防护方面，研究人员将CILF与小型风扇、电源和控制模块集成，构建了一种主动送风式可穿戴空气净化口罩。在高颗粒物浓度环境下，空气经过CILF净化后被直接送入呼吸区域。与普通KN95口罩相比，这种主动送风结构在实验中还表现出较低的口罩内部温度，并能够降低呼吸区域CO₂的积累。与此同时，作者利用卷对卷方法实现了米级液体衬里过滤材料的连续制备，并进一步组装成全尺寸空气净化器。在30 m³颗粒测试舱中，该空气净化器的CADR达到377 m³ h⁻¹，同时保持较低的压力损失和稳定空气流量。更进一步，研究人员还设计了面向微重力环境的空气净化装置。由于空间站等环境中不能依靠重力保证液体均匀分布，作者引入喷液、离心、刮液和液体回收结构，使功能液能够均匀覆盖过滤滤芯，并将多余液体重新回收。在六种不同空间方向下，系统表现出相近的CADR，表明其空气净化性能对重力方向的依赖较小。研究最后还进行了生命周期评价。与棉纤维、熔喷PP、PTFE和玻璃纤维等传统过滤材料相比，CILF在全球变暖、细颗粒物形成、生态毒性和资源消耗等多项环境指标上表现出较低的环境负担。这一优势主要来自可重复使用的不锈钢基底、抗堵塞带来的较低运行负荷，以及可清洗、可再利用特征所减少的过滤材料更换。
图 4CILF在通风受限环境中的实际应用与可持续性评价
小结
总体来看，这项工作的意义并不仅仅在于获得了99.6%的单程空气净化效率，更重要的是提出了一种不同于传统固体过滤器的污染物捕获思路。传统过滤材料的核心是让颗粒停留在固体纤维表面，因此随着过滤过程持续进行，污染物不断累积，堵塞几乎不可避免。而CILF通过“电荷诱导颗粒定向运动—液体界面毛细捕获—液相体积吸收”这一连续过程，将污染物由固体表面转移到动态液相中。过滤界面因此可以不断更新，颗粒储存空间也由二维表面扩展到了三维液相。当然，这一体系距离更大规模应用仍有一些问题需要进一步解决，例如功能液体的长期稳定与补充、捕获污染物后的液体再生和集中处理，以及电场、空气流动和液体界面之间的进一步优化。但从这项工作来看，空气过滤材料的设计思路已经不再局限于“让纤维更细、孔径更小或者静电更强”，而开始转向对颗粒运动、界面捕获和污染物传输全过程的协同调控
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