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空气微粒污染对人体健康的不利影响gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba促使净化系统的发展，过滤空气中的微粒gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba．为了保持性能，在某些时候必须不可避免地更换过滤单元，这需要维护，涉及成本并产生固体废物gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba．在这里，我们展示了离子掺杂共轭聚合物涂层基质渗透与选定的功能液体，使高效，连续和免维护的空气净化。当需要净化的空气以气泡的形式通过系统时，功能流体提供了过滤和从空气中去除颗粒物和污染物分子的界面。理论建模和实验结果表明，该系统具有较高的效率和鲁棒性，一次性空气净化效率可达99.6%，集尘能力可达950 g mgydF4y2Ba−2gydF4y2Ba．该系统经久耐用，耐污垢和腐蚀，作为过滤器的液体可以重复使用和调节，也可以去除细菌或气味。我们预计，我们的净化方法将有助于专业空气净化器的开发，这些净化器可能在医院、工厂和矿山等环境中发挥作用。gydF4y2Ba
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确认gydF4y2Ba
国家自然科学基金项目(no. 52025132, 21975209, 21621091, 22021001, 22121001)和国家重点研发计划项目(no. 52025132, 21975209, 21621091, 22021001, 22121001)资助。2018YFA0209500)、111项目(批准号:B17027、B16029)、福建省能源材料科技创新实验室科技项目(批准号:2018YFA0209500);RD2022070601)。我们感谢黄亮、闵亮、陈波、刘宏、吴栋和詹凯对材料的合成和测量的支持和讨论。gydF4y2Ba
作者信息gydF4y2Ba
作者及隶属关系gydF4y2Ba
贡献gydF4y2Ba
X.H.构想了这个项目并设计了这项研究。Y.Z.和S.W.合成了这些材料。韩永智、韩志生、侯永勇、周志伟、马武等对样品进行了表征，并对数据进行了分析。韩永智、李清泉、韩永勇分别进行了压力、微泡尺寸和空气净化实验，并对数据进行了分析。杨振中、薛俊、丁志中、郑宗盛、李强建立了数学模型。Y.Z, X.C.和X.H.写了手稿。所有作者都参与了数据分析、讨论和稿件准备工作。gydF4y2Ba
相应的作者gydF4y2Ba
道德声明gydF4y2Ba
相互竞争的利益gydF4y2Ba
作者声明没有利益竞争。gydF4y2Ba
同行评审gydF4y2Ba
同行评审信息gydF4y2Ba
自然gydF4y2Ba感谢Pascal Guiraud和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。gydF4y2Ba
额外的信息gydF4y2Ba
出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2Ba
扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba
图1掺杂聚吡啶的电化学聚合。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba．电化学聚合装置的照片。gydF4y2BabgydF4y2Ba．电流密度依赖性电化学聚合时间。插图:电荷密度依赖性电化学聚合时间。gydF4y2BacgydF4y2Ba．不同聚合时间下掺聚PPy包覆SSM的光学图像。gydF4y2BadgydF4y2Ba．不同聚合时间下掺杂PPy包覆SSM的SEM图像。gydF4y2Ba
图2氧化还原过程中DPM的表面成分分析。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba．DPM在0.1 M LiClO中的循环伏安曲线gydF4y2Ba4gydF4y2Ba扫描速率为50毫伏秒gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba．该曲线显示了氧化还原过程的可逆性，氧化峰在0.12 V，还原峰在−0.39 V。gydF4y2BabgydF4y2Ba．x射线光电子能谱(XPS)对不同状态下的DPM进行了扫描，证明了氧化还原过程中基体表面成分的变化。gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba．DPM在还原态(c)和氧化态(d)下的高分辨率Li 1s XPS谱显示了LigydF4y2Ba+gydF4y2Ba氧化还原过程中离子掺杂和脱掺杂。gydF4y2BaegydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba．DPM在还原态(e)和氧化态(f)下的高分辨率N 1s XPS光谱。DPM中存在四种类型的氮环境。带正电的-HN在401.4 eV和402.9 eV处具有较高的峰gydF4y2Ba+gydF4y2Ba-和双极化子部分gydF4y2Ba48gydF4y2Ba．氧化态下带正电的N基团较多，说明DPM发生了氧化还原反应。gydF4y2Ba
扩展数据图3氧化还原过程中DPF的润湿性和形貌。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba．自行设计的装置，在调节水下电化学电位时，现场监测二氯甲烷液滴在DPF上的接触角。采用三电极系统控制电化学电位。DPF作为工作电极。Ag/AgCl电极和铂板分别作为参比电极和对极。0.1 M LiClOgydF4y2Ba4gydF4y2Ba水溶液被用作电解液。gydF4y2BabgydF4y2Ba．连续循环氧化还原过程中功能液体在DPF上的可逆润湿性开关。为了获得较宽的润湿性值范围和较小的电位差，根据图中不同电位差下的接触角分析，我们分别选择+0.40 V和- 0.60 V作为最佳工作氧化电位和还原电位。gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba．误差条表示五个独立测量值的标准偏差。gydF4y2BacgydF4y2Ba．循环氧化还原过程中DPF上油的水下润湿性开关。误差条表示五个独立测量值的标准偏差。gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba．还原状态(d)和氧化状态(e)下功能液与基体的粘附功分析:表面张力/能的极性部分和相应的表面张力/能可以被识别，两者的组合提供了DPF与功能液的最佳粘附力。蓝色和红色的直线代表最佳粘合力，可以提出一个可接受的性能范围。结果表明，功能液在还原状态下处于最佳区，表明功能液与基体的亲和性良好。gydF4y2BafgydF4y2Ba，gydF4y2BaggydF4y2Ba．三维原子力显微镜(AFM)图像显示，在还原态(f)和氧化态(g)下，基体表面高度变化。AFM结果表明，在还原过程中，由于锂离子的涌入，基体表面由光滑变为粗糙gydF4y2Ba49gydF4y2Ba，这也可以增加表面的亲水性。gydF4y2Ba
图4过滤后DPM反洗后的SEM图像。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba．氧化态无液衬的DPM;gydF4y2BabgydF4y2Ba．含液体衬里氧化态ELBS的DPM;gydF4y2BacgydF4y2Ba．DPM处于还原状态，无液衬;gydF4y2BadgydF4y2Ba．带液体衬里的ELBS还原态DPM;比例尺，100 μm。反洗后发现，有液衬里的基体上颗粒较少，而没有液衬里的基体上颗粒较多，说明有液衬里提高了基体的防污性能。此外，我们还可以利用功能液调节基质的润湿性，从而影响污染物与功能液、基质之间的亲和性，进一步防止颗粒积聚。由于衬里液体与还原态基质的亲和力更强，因此还原态基质表面比氧化态基质表面更干净。因此，我们可以通过施加不同的电势来改变基质的润湿性，从而降低亲和度，进一步防止颗粒堆积。此外，调节完成后，无需持续功率输入，液基基质的氧化还原状态可以一直保持。gydF4y2Ba
图5 ELBS的输运特性和微气泡的产生。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba．压力测量装置的光学图像。gydF4y2BabgydF4y2Ba．液体-空气界面压力引起的凸起示意图。在这里,gydF4y2BalgydF4y2Ba为DPM的孔径，gydF4y2BaRgydF4y2Ba为DPM中圆柱形光纤的半径，gydF4y2BaRgydF4y2Ba凹陷gydF4y2Ba为液-气界面的临界曲率半径，gydF4y2BaθgydF4y2Ba为杨氏接触角，gydF4y2BaψgydF4y2Ba是纹理角度，gydF4y2BaδθgydF4y2Ba是凸角。gydF4y2BacgydF4y2Ba．临界压力的理论和实验值(gydF4y2BaPgydF4y2BacgydF4y2Ba)在氧化还原过程中，空气通过不同孔径基质的ELBS。误差条表示五个独立测量值的标准偏差。gydF4y2BadgydF4y2Ba．不同基质孔径的ELBS在氧化还原过程中产生的微气泡的理论最大值、最小值和实验直径。误差条表示五个独立测量值的标准偏差。gydF4y2BaegydF4y2Ba．在重复氧化还原过程中，ELBS生成的微泡平均孔径约为9.7 μm。误差条表示十个独立气泡测量的标准偏差。gydF4y2Ba
图6 ELBS的空气净化性能。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba．疏水颗粒与气液界面的粘附。gydF4y2BabgydF4y2Ba．在气泡界面作用于疏水粒子的力的表示。在这里,gydF4y2BaRgydF4y2BapgydF4y2Ba是粒子的半径，gydF4y2BaRgydF4y2BabgydF4y2Ba是气泡的半径，gydF4y2BaFgydF4y2BaPgydF4y2Ba是气泡内毛细管压力产生的力，gydF4y2BaFgydF4y2BaBgydF4y2Ba是浮力，gydF4y2BaFgydF4y2BaGgydF4y2Ba是重力，gydF4y2BaFgydF4y2BaγgydF4y2Ba是液体的表面张力。gydF4y2BacgydF4y2Ba．光学图像的现场研究定制颗粒物(PM)净化系统。gydF4y2BadgydF4y2Ba．该净化系统的原理图以及爆破气泡产生的液滴的捕获过程。gydF4y2BaegydF4y2Ba．进气侧和出气侧液体中的粒径分布。净化有两个步骤:通过液体衬里的多孔基质(入口侧)直接拦截和去除污染空气中较大的PM，功能液体通过微泡界面(出口侧)捕获较小的PM。gydF4y2Ba
扩展数据图7gydF4y2Ba
DPM, SSP(不锈钢板)，SSM在1.0 M NaOH溶液，0.5 M H浸泡后的光学照片gydF4y2Ba2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba4gydF4y2Ba1.0 M NaCl溶液，在不同温度下分别保温24 h。比例尺，1厘米。gydF4y2Ba
补充信息gydF4y2Ba
补充视频1gydF4y2Ba
聚吡啶在SSM上生长的原位观察。gydF4y2Ba
补充视频2gydF4y2Ba
ELBS微气泡生成的原位观测。DPM为工作电极，Au/SSM为对电极，Ag/AgCl为参比电极，LiClO为参比电极gydF4y2Ba4gydF4y2Ba水溶液是功能液体。gydF4y2Ba
补充视频3gydF4y2Ba
不同润湿性颗粒对不同气液界面的粘附性。gydF4y2Ba
补充视频4gydF4y2Ba
在更大的环境中使用ELBS吸收PM的演示。gydF4y2Ba
权利和权限gydF4y2Ba
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关于本文gydF4y2Ba
引用本文gydF4y2Ba
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发表gydF4y2Ba：gydF4y2Ba
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DOIgydF4y2Ba：gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/s41586-022-05124-ygydF4y2Ba
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