深圳大学莫金汉团队《Engineering》: 通过强化传质推进室内空气净化,弥合高性能材料与技术之间的鸿沟

室内空气净化作为保障人类健康与高端制造业良率的关键技术，其核心本质是气-固界面的传质过程。然而，传统净化技术长期面临高效率与低风阻难以兼得的“圣杯”挑战，高性能纳米材料在宏观设备中往往因传质受限而无法发挥应有功效。近日，深圳大学莫金汉团队联合清华大学、松山湖材料实验室及香港理工大学在《Engineering》上发表重要综述文章。该研究首次提出“传质与材料调控一体化”的设计理念，系统论述了通过多尺度（毫米-微米-纳米）与多物理场（质量-流动-力）协同强化传质的方法。研究证实，引入外加静电场可使颗粒物（PM）向纤维的迁移速度提升约5倍，综合质量因子较商用滤材提高1至3个数量级；而构建分级多孔结构则使气固接触面积增加58%，动态吸附容量提升152%。该工作为下一代低能耗、高效空气净化技术的工程化落地提供了坚实的理论支撑。

文章亮点

• 提出“传质与材料调控一体化”新范式
  突破了传统仅关注材料本征性能的局限，确立了通过主动控制多尺度结构与多物理场来强化界面传质的系统设计方法论。
• 量化静电场对PM过滤的传质强化效应
  证实两级静电辅助空气（EAA）过滤系统可使带电PM向极化纤维的迁移速度提升约5倍，在维持极低风阻的同时实现超高过滤效率。
• 揭示3D打印分级结构对气体吸附的动力学增益
  通过直写成型（DIW）技术构建亚毫米级肋条与垂直通道结构，使气固接触面积增加58%，单次去除效率与动态吸附容量分别提升37%和152%。

摘要

室内空气净化作为典型的气-固界面过程，依赖于空气污染物通过传质作用向净化材料表面的迁移。尽管室内空气净化材料的研究已取得显著进展，但关于强化传质的研究仍相对有限。本文提出了“传质与材料调控一体化”的新概念，旨在为室内空气净化提供全新的设计方法论。以固相颗粒物（PM）过滤和气相污染物吸附为例，总结了从被动使用材料向通过多尺度（毫米-微米-纳米）和多物理场（质量-流动-力）主动控制传质转变的新途径。对于PM去除，外加电场可使PM向纤维的迁移速度提高约5倍，综合考虑过滤效率、压降和能耗，其综合质量因子（CQF）比商用过滤器高出1至3个数量级。对于气体去除，分级结构可使气-固接触面积增加58%，单次去除效率提高37%，动态吸附容量增强152%。本文通过提供控制表面力和结构以改善传质的设计方法，弥合了高性能材料与技术之间的鸿沟。

创新点

1. 构建基于传质单元数（NTUm）的宏观性能评估模型

研究从洁净空气量（CADR）的底层物理公式出发，将净化性能解构为无量纲特征表面积、传质斯坦顿数与材料特性系数三个维度。该模型明确指出，当材料本征性能遭遇瓶颈时，通过优化宏观结构（增大接触面积）或强化界面传质（提升传质系数）是突破性能天花板的有效路径。

2. 确立“静电响应纤维”的微观极化机制

针对传统纤维滤材效率与风阻的强耦合矛盾，提出在低风阻粗效纤维表面负载高介电常数材料（如BaTiO₃、MnO₂）。在外部电场极化下，该结构可显著增强纤维表面的感应电荷密度，从而在不增加物理孔隙率（即不增加风阻）的前提下，通过库仑力大幅提升对带电PM的捕获概率。

3. 开发基于DIW技术的多尺度孔道调控策略

针对气相污染物在微孔材料中扩散阻力大的问题，结合气体挥发法与牺牲模板法，利用3D直写成型（DIW）技术精确构筑毫米级流道、微米级肋条与纳米级本征孔隙。该策略有效缩短了气体分子的内扩散路径，实现了平衡吸附容量与动态吸附速率的完美平衡。

引言：室内净化的“圣杯”挑战与传质盲区

室内空气污染（包括气溶胶态PM与气态VOCs）对全球公共健康及半导体等高端制造业构成严重威胁。传统净化技术（如HEPA过滤与颗粒吸附）依赖致密介质以保障高去除率，但这必然导致极高的风阻与风机能耗。公共建筑与洁净室的通风过滤能耗巨大，如何实现“高效率与低风阻”的解耦是该领域的“圣杯”挑战。现有研究多聚焦于纳米纤维、MOFs等高性能材料的开发，却忽视了污染物从主流气相向材料表面迁移的传质动力学限制。这种“材料-技术”的脱节，导致实验室优异的材料性能在宏观设备中大幅衰减。因此，亟需引入传质强化理论以指导净化工程的系统设计。

原文图1：通过结构修饰、界面传质强化和材料性能优化提高空气净化性能的概念图。展示了VOCs与PM在气固界面的传质路径及优化策略。]

传质强化理论：从CADR到界面通量的解构

空气净化器的核心指标CADR由气流速率与传质单元数（NTUm）共同决定。NTUm进一步受控于特征表面积（A*）、传质斯坦顿数（Stm）及材料特性系数（g）。对于PM过滤，传质系数主要取决于颗粒在外部场（如静电场、热泳力）作用下的迁移速度；对于气体吸附，传质通量则由气固界面浓度梯度与对流/扩散传质系数决定。维持极低的界面浓度（Cinterface）以保障高浓度梯度，要求吸附剂具备极快的内扩散速率。因此，优化孔隙率、孔径分布及构建 interconnected 的多级孔道，是突破气体吸附传质瓶颈的核心。

静电场强化PM过滤：EAA系统的动力学优势

在纤维过滤中，压降与过滤效率呈强负相关。为打破此僵局，研究系统梳理了两级静电辅助空气（EAA）过滤技术。该系统首先通过电晕放电使PM荷电，随后在外部电场作用下使介电纤维极化。微观CCD观测证实，在距离纤维表面约6 μm处，荷电PM的迁移速度较无电场时提升了约5倍。为克服传统纤维介电常数低导致的极化不足，团队提出了“静电响应滤材”概念，通过物理涂布或化学原位生长（如聚多巴胺修饰及MnOx掺杂），在粗效纤维表面构建高介电常数涂层。性能评估表明，EAA过滤器在实现99%以上过滤效率的同时，风阻较商用HEPA滤材降低了1至3个数量级。引入综合质量因子（CQF）评估后发现，结合新型静电响应材料与W型极化结构设计的EAA系统，其CQF实现了数量级上的跨越。

原文图4：(a, b) 施加0和5 kV电压时PM向异质结块(HC)纤维迁移的照片；(c) PM向HC纤维的迁移速度曲线。]

原文图6：(a) 静电响应过滤器与普通过滤纤维的示意图；(b) 极化裸PU纤维与BaTiO3涂层PU纤维周围的模拟电场分布。]

原文图7：(a) EAA过滤器与商用过滤器的性能对比（阻力系数与效率）；(b) 不同强化策略下EAA过滤研究的综合质量因子(CQF)对比。]

多尺度结构强化气体吸附：DIW与分级孔道构建

传统颗粒状吸附剂（如活性炭、沸石）因堆积密集导致气流分布不均且内扩散路径极长，气体分子在微孔（<2 nm）中主要受Knudsen扩散控制，阻力极大。为强化传质，研究引入了整体式（Monolith）结构，并利用直写成型（DIW）3D打印技术实现精确的几何与孔隙调控。通过在墨水中添加碳酸铵（气体挥发法）或PMMA微球（牺牲模板法），可在打印基底内部原位生成微米级大孔，构建“毫米流道-微米扩散孔-纳米吸附孔”的分级网络。此外，利用激光蚀刻或DIW在吸附膜表面构建亚毫米级垂直穿透通道与肋条结构。实验表明，肋条结构不仅使气-固接触面积增加了58%，还通过诱导气流湍流强化了外部对流传质，使甲醛的单次去除效率提升37%，动态吸附容量激增152%。

原文图8：气体分子在填充床与整体式结构内部的传质过程对比示意图。]

原文图9：(a) 气体挥发法与(b) 牺牲模板法调控孔隙的示意图；(c-e) 碳酸铵分解诱导的孔隙及SEM图像；(f-h) PMMA微球牺牲模板调控的孔径分布与孔隙率。

原文图10：(a) 吸附膜构建的层叠吸附组件示意图；(b-e) 激光打孔创建的亚毫米垂直穿透通道结构及SEM图像；(f-h) DIW成型的亚毫米肋条吸附膜及其结构照片。

结论与展望

本综述系统阐释了“传质与材料调控一体化”在室内空气净化领域的理论价值与工程实践。研究证实，通过多尺度结构设计与多物理场耦合，可有效弥合高性能纳米材料与宏观净化设备之间的技术鸿沟。在PM净化方面，静电场辅助与高介电涂层技术的结合，实现了超高效率与极低能耗的统一；在气态污染物去除方面，3D打印分级孔道与表面微结构显著加速了传质动力学，大幅提升了动态吸附容量。面向未来，研究应进一步探索非热等离子体、微波及超声等多物理场在传质强化中的协同机制，并着力解决复杂室内环境（如高湿、多组分VOCs竞争吸附）下净化材料的长期稳定性问题。该设计方法论不仅将重塑下一代室内空气净化技术，更为化工分离、碳捕集等广义气固界面工程提供了普适性的指导原则。

文献信息

• 论文题目
  Advancing Indoor Air Purification by Mass Transfer Enhancement: Bridging the Gap Between High-Performance Materials and Technologies（通过强化传质推进室内空气净化：弥合高性能材料与技术之间的鸿沟）
• 期刊
  Engineering
• DOI
  10.1016/j.eng.2025.07.003
• 主要作者
  Enze Tian, Qiwei Chen, Yilun Gao, Zhuo Chen, Yan Wang, Jinhan Mo
• 通讯作者
  Jinhan Mo（深圳大学/清华大学）
• 单位
  深圳大学土木与交通工程学院/智能岩土与隧道工程国家重点实验室；清华大学建筑学院建筑科学系；松山湖材料实验室；香港理工大学土木与环境工程系

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