近日，东北林业大学韩广萍教授团队展示了一种基于玉米的异质前驱体策略，该策略将低价值的农业废弃物转化为由交替排列的微纤维（2.61 ± 1.11 μm，表面带沟槽）和纳米纤维（0.29± 0.18 μm）构成的结构性空气过滤器。该工艺采用源自玉米的玉米醇溶蛋白和从玉米秸秆中提取的纤维素组成的绿色溶质-溶剂体系，确保了从原材料来源、制造、过滤到最终降解的整个过程的可持续性。通过调节相对湿度并添加纤维素，可以引发不完全的非溶剂诱导相分离，从而制备出具有高过滤性能（PM0.3去除率>99.99%）和低压降（45 Pa）的玉米基双网络过滤器。生命周期评估表明，与石油基过滤器相比，玉米基过滤器具有更低的碳排放和环境影响。这项工作为开发可持续的一次性过滤材料提供了一条有前景的途径。相关成果以“Sustainable biomass-based filter for high-efficiency PM0.3 filtration”为题，发表在《Nature Communications》(期刊号：Nat Commun 16, 6596 (2025). IF=15.7)上。

图1.玉米基静电纺丝纤维的可持续制备策略、纤维形成机制和双网络（D-net）结构

a. 示意图展示了一种有利于绿色、循环和低碳发展的设计理念。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CNF和玉米醇溶蛋白之间的粘弹性不匹配驱动的射流分裂。e. D-net结构的示意图。f. 由微米级纤维和纳米级纤维组成的玉米基D-net过滤器的SEM图像。g. 本文与先前报道的各种技术制备的过滤器对PM0.3的过滤效率和压降的比较。

图2.玉米基过滤器的结构性能

(a)玉米醇溶蛋白纤维和(b)玉米醇溶蛋白/CNFs纤维在相对湿度90%下的扫描电镜(SEM)图像。(c) D-net纤维的纤维直径分布。(d)荧光标记玉米醇溶蛋白(FITC-玉米醇溶蛋白)和荧光标记CNFs(CW-CNFs)的D-net纤维的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像。(e)玉米醇溶蛋白溶液和玉米醇溶蛋白/CNFs的粘度随蒸发时间的变化。(f)CNFs、D-net纤维、玉米醇溶蛋白纤维和纯玉米醇溶蛋白的傅里叶变换红外光谱(FTIR)。(g)带状、棒状和D-net结构的玉米基过滤器的孔隙率和(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SEM图像。数值以平均值±标准差表示，n=5。

图3.空气过滤和甲醛吸附的功能和机制

a. 不同结构玉米基过滤器的PM0.3过滤效率和压降。气流速度：5.33 cm s⁻¹。b. 不同基重D-net过滤器的PM0.3过滤效率和压降。气流速度：5.33 cm s⁻¹。c. 不同气流速度下D-net过滤器的PM0.3过滤效率和压降。基重：11.6 g m⁻²。d. 商用过滤器与D-net过滤器的过滤效率和压降比较。e. 玉米基D-net过滤器与商用HEPA过滤器的甲醛吸附效率比较。f. 玉米基D-net过滤器甲醛吸附量随时间变化的相对增重情况。g. 扫描电镜图像展示了玉米基D-net过滤器的过滤行为（包括全结构过滤和筛分）以及捕获机制，包括其对PM0.3的内嵌策略。数值以平均值±标准差表示，n=5。

图4.玉米基过滤器的环境可行性

a. 生命周期评价的系统边界。b. 玉米基过滤器与聚酯纤维织物、聚丙烯织物和玻璃纤维织物的环境影响对比。尺寸为 15.5 cm × 7.5 cm 的玉米基过滤器在不同环境下降解的数码照片，其中 (c) 显示土壤，(d) 显示 PBS。