随着全球工业生产的快速扩张，颗粒物排放持续增加，以粉尘和雾霾形式对公众健康和生态环境构成严重威胁。长期吸入可吸入颗粒物（特别是PM2.5）可导致慢性呼吸系统疾病和肺部感染，其中许多疾病难以治愈。目前，机械过滤因其操作简单、适应性强的特点成为最主流的颗粒物控制技术，常用材料包括聚四氟乙烯膜、非织造布和静电纺丝纤维等。然而，这些材料通常制备工艺复杂、生物可降解性差，且在过滤性能与能耗之间难以取得平衡。基于细菌纤维素的气凝胶材料因其连续的三维多孔结构和细菌纤维素固有的生物相容性，成为有前景的替代方案。然而，这类材料的热力学稳定性差和表面亲水性限制了其在空气过滤中的广泛应用。

针对上述挑战，中国矿业大学王和堂教授团队开发了一种表面功能化引导的策略，通过精确调控气凝胶表面基团来改变颗粒捕获行为，从而提升过滤性能。研究团队以γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）为模型硅烷前驱体，成功制备了BC-KH550气凝胶。实验证明，该材料通过增强静电吸附和形成树枝状沉积图案，显著提高了对PM2.5的捕获能力。改性后的气凝胶在保持优异机械性能和潮湿环境稳定性的同时，实现了超过99%的过滤效率。理论模拟进一步揭示，表面修饰后增强的静电相互作用是提升过滤性能的关键，为设计下一代具有可调表面的可持续空气过滤器提供了蓝图。相关论文以“Synergistic Geometric and Interfacial Regulation of Silane-Modified Biomass Aerogels for Sustainable, Low-Resistance Particulate Filtration”为题，发表在Advanced Materials上。

气凝胶的制备与表面化学特性研究

研究团队选取了四种带有不同末端基团的常用硅烷作为前驱体，通过将细菌纤维素悬浮液、硅烷和海藻酸钠混合，再经定向冷冻干燥工艺合成气凝胶（图1A）。福井函数计算和前线分子轨道能级分析表明，四种硅烷的亲核位点主要集中在末端基团附近。其中，KH550携带的氨基因其孤对电子偶极而成为最强的HOMO位点（图1B）。以BC-MTMS为例，最终气凝胶展现出30.12毫克每立方厘米的超低密度（图1C）。甲基三甲氧基硅烷通过静电和氢键相互作用与细菌纤维素及海藻酸钠表面形成交联，暴露末端基团，海藻酸钠则在强化骨架和增强交联强度方面发挥关键作用（图1D）。X射线衍射图谱显示，所有细菌纤维素衍生气凝胶均呈现出与I型纤维素晶体相似的衍射峰，表明硅烷交联反应并未改变细菌纤维素的晶体结构，但KH550和KH590等高偶极矩硅烷会降低纤维素结晶度（图1E）。傅里叶变换红外光谱证实，所有实验组均存在Si-O-Si峰和Si-O峰，确认硅烷发生了水解缩合反应并与纤维素骨架发生交联，其中BC-KH550在3300 cm⁻¹处呈现明显的-NH₂特征峰（图1F）。X射线光电子能谱分析显示，所有样品主要含碳、氧和硅元素，而BC-KH550含有氮元素，BC-KH590含有硫元素，且BC-KH550中可能通过质子化反应形成了-NH₃⁺基团（图1G；图S2、S3）。这些发现证实，通过氢键和缩合反应引入硅烷前驱体，仅对细菌纤维素气凝胶表面实现了有效的官能团修饰。

图1 (a) BC衍生气凝胶制备流程示意图。 (b) 四种硅烷前体的HOMO/LUMO轨道细节。 (c) 干燥后BC衍生气凝胶的宏观形貌。 (d) 硅烷、海藻酸钠和细菌纤维素之间的相互作用示意图。 (e) XRD图谱。 (f) FTIR光谱。 (g) 四种样品的XPS谱图。 

微观结构与孔道调控机制

通过构建三维可视化模型（以BC-MTMS为例），研究团队发现细菌纤维素衍生气凝胶具有定向孔道结构（图2A）。扫描电镜图像显示，四种硅烷的加入均有助于气凝胶形成蜂窝状网络结构，其中KH550的加入生成了更规整的孔道结构和更厚的孔壁（图2B），纵向截面呈现明显的层状堆叠和更规整的结构（图2C），表明硅烷基团的极性对交联密度和孔道结构取向具有显著影响。分子模拟表明，高极性封端基团有利于与细菌纤维素骨架形成更致密的交联网络，而低极性的甲基则形成最松散的网络。这种致密网络增加了冰晶前沿的物理阻力，从而抑制冰晶生长。此外，高极性基团显著降低了固-液界面能，从动力学上限制了水分子的扩散，进一步增加了对冰晶生长的阻力（图2D）。BC-MTMS组因具有低极性的甲基基团，展现出最大的最概然孔径（7.661微米），而带有高极性氨基封端基团的BC-KH550组，其最概然孔径被限制在约5微米（图2E）。表面能谱分析进一步证实，修饰被限制在气凝胶表面（图2F、2G）。

图2 (a) BC-MTMS的CT扫描三维重建图像。 (b) BC-KH550横截面的表面形貌。 (c) BC-KH550的纵向表面形貌。 (d) 表面官能团影响BC衍生气凝胶孔结构的机制示意图。 (e) BC-KH550的孔径分布及四组样品的最概然孔径。 (f) BC-KH550的EDS能谱图像。 (g) BC-KH550上氮元素的分布图。 

分子模拟揭示颗粒捕获机制

研究团队采用色散校正密度泛函理论和分子动力学模拟，探究了硅烷改性气凝胶与颗粒物之间的相互作用机制。范德华表面静电势图显示，KH550的氨基末端与煤分子之间展现出最强的静电引力，颗粒物能够跨越多个气凝胶孔道形成大规模的团聚体（图3A）。动态模拟显示，在0.2纳秒时BC-KH550体系中的颗粒物开始聚集，最终形成了致密的颗粒团聚体，氧原子的密度分布进一步证实了颗粒在材料表面的富集（图3B、3C）。光学图像显示了颗粒在孔道之间的堆积情况（图3D），力分析阐明了颗粒在孔道内和纤维附近的受力平衡（图3E）。均方位移曲线分析表明，BC-KH550气凝胶表面的双键氧原子均方位移值最小，意味着颗粒在材料表面的扩散能力最强；径向分布函数分析进一步揭示，BC-KH550体系中氧原子的径向分布函数值最高且峰最尖锐，表明其表面与颗粒物之间的局部堆积密度最高（图3F）。相互作用能分析显示，在模拟平衡后，BC-KH550体系具有最低的能量，这表明氨基基团的引入显著增强了气凝胶与颗粒物之间的结合强度（图3G）。这些模拟结果共同证实，KH550表面修饰通过增强静电相互作用，有效提升了气凝胶对颗粒物的捕获能力。

图3 (a) 四组硅烷与煤分子的范德华表面静电势图和分子间渗透结果。 (b) BC-KH550体系在0.2 ns时的模拟分布图。 (c) BC-KH550体系的最终构型及煤分子中氧原子的密度分布。 (d) 孔道间颗粒累积的光学图像。 (e) 孔道内和纤维附近颗粒的受力分析图。 (f) 双键氧原子的均方位移曲线和气凝胶表面氧原子的径向分布函数曲线。 (g) 四个体系中相互作用能随模拟时间的变化曲线。 

过滤性能测试与应用评估

过滤性能测试表明，四种样品的初始压降随过滤速度增加而增加，在6厘米/秒的过滤速度下，BC-MTMS的压降约为306帕斯卡。所有四种样品组的PM10去除效率均超过98%。随着过滤时间增加，过滤效率逐渐提高，例如BC-MTMS的初始PM10过滤效率为98.3%，15分钟后增至99.6%（图4C）。对于PM2.5，所有样品的初始效率均超过96%。随着过滤进行，所有样品对PM2.5的去除效率均迅速达到99%以上。特别值得注意的是，BC-KH550在整个实验过程中始终保持最高的效率，从2分钟时的99.1%增加到15分钟时的99.6%（图4D）。尽管BC-KH550并非测试组中孔径最小的样品，但它始终提供最优的过滤效率，这种构效对比证实了气凝胶表面暴露的高极性氨基基团在提升过滤效率方面发挥了关键作用。所有样品的品质因子均超过0.025/Pa（图4D）。不同过滤时间下的光学图像也直观展示了过滤效率的快速提升。

环境适应性与循环使用性能

为了进一步测试颗粒过滤的广泛适用性和稳定性，研究团队以BC-KH550为测试材料，对不同类型颗粒物的初始过滤效率均超过98%（图4E）。经过10次清灰循环后，PM2.5的初始过滤效率仍保持高于94%，且压降曲线稳定，展现出优异的重复使用能力（图4F）。在不同湿度条件下的测试显示，测试样品的初始压降随湿度增加而逐渐增大，而过滤性能与湿度呈反比关系（图4G）。然而值得注意的是，在高湿度条件下过滤一段时间后，过滤性能明显增加（图4H）。当连续过滤时间延长至20分钟时，即使在高湿度条件下，过滤效率仍保持相对稳定，维持在99.8%以上。这表明BC-KH550气凝胶的改性表面和超高孔隙率有效防止了毛细力引起的结构坍塌。研究进一步解释了湿度影响下的过滤机理：当湿度超过70%时，水分子开始在纤维和孔壁上形成桥接，增强了流体桥连力的作用，二次液膜在纤维和孔道之间形成，类似于液体过滤膜，增强了孔道之间的筛分和截留效应，显著提高了过滤效率（图4I）。与商业空气过滤器和其他聚合物复合膜相比，BC-KH550气凝胶展现出相当甚至更优的PM2.5过滤性能（图4J）。生物降解速率对比进一步证实了其生物衍生框架固有的低碳优势。

图4 (a) 四组样品在不同过滤速度下的压降变化。 (b) 过滤速度为6 cm/s时四组样品的压降对比。 (c) 四组样品的PM10过滤效率随时间变化。 (d) 四组样品的PM2.5过滤效率随时间变化。 (e) BC-KH550对不同类型颗粒的初始过滤效率。 (f) BC-KH550在十次循环过滤后的PM2.5过滤效率和压降变化。 (g) BC-KH550在不同湿度下的初始PM2.5过滤效率。 (h) BC-KH550在高湿度（>70%）条件下过滤效率随时间变化。 (i) 湿度影响下气凝胶的过滤机制示意图。 (j) BC衍生气凝胶与商用过滤器及聚合物复合膜的PM2.5过滤性能对比。 

机械性能与疏水特性

为了满足实际应用需求，研究团队还评估了细菌纤维素衍生气凝胶的机械性能和疏水性能。压缩测试表明，BC-KH550样品展现出最高的应力耐受能力，屈服应力达到160.9±16.12千帕，而BC-MTMS样品承受的压力最小，仅为71.79±9.41千帕（图5A）。拉伸测试结果显示，BC-KH550样品的拉伸强度最高，达到102.29±8.34千帕，而BC-MTMS的拉伸强度比BC-KH550低约25%（图5B）。压缩性能数据显示BC-KH550具有最低的屈服应变，表明氨基的强极性和高交联强度形成的致密网络赋予了气凝胶刚性（图5C）。拉伸性能数据则表明BC-MTMS展现出最佳的延展性，而BC-KH550更为脆性（图5D）。这种机械性能差异源于不同的交联结构：KH550的高极性和高交联强度形成的致密网络赋予了气凝胶刚性，而MTMS主要依赖单点化学键合，交联密度相对较低，形成了松散的三维网络，增强了甲基分子链段的滑动能力，从而展现出高延展性（图5E）。接触角测试显示，BC-KH550的水接触角在120秒内从约125度降至约110度，表现出良好的疏水稳定性。

图5 (a) 四组样品的压缩应力-应变曲线。 (b) 四组样品的拉伸应力-应变曲线。 (c) 四组样品的屈服应力、压缩模量和屈服应变对比。 (d) 四组样品的抗拉强度、拉伸模量和断裂伸长率对比。 (e) 表面官能团对BC衍生气凝胶机械性能的影响机制示意图。 (f) 四组样品的动态水接触角随时间变化曲线及2分钟时的接触角照片。

总结与展望

与现有商业空气过滤器和聚合物复合膜相比，BC-KH550气凝胶展现出相当甚至更优的PM2.5过滤性能。该材料采用低成本硅烷改性剂和丰富的天然原料（细菌纤维素和海藻酸钠），结合成熟且环保的冷冻干燥工艺，具有很高的生产可行性。生物降解速率对比进一步证实了其生物衍生框架固有的低碳优势，从根本上避免了传统商业过滤介质处置过程中典型的微塑料二次污染问题。该研究提出的表面修饰策略不仅成功实现了气凝胶的高过滤性能和低气流阻力，还通过揭示表面官能团与颗粒物之间的协同效应，深化了对改性细菌纤维素气凝胶结构-功能关系的理解。这些发现为合理设计细菌纤维素衍生气凝胶的表面官能团提供了通用原则，为开发具有可调表面的下一代可持续空气过滤器提供了重要指导。