静电纺丝与静电喷雾同步沉积：废弃咖啡渣/MOF复合微纳滤膜用于多功能空气净化

全球每年会产生超 1000 万吨废弃咖啡渣，绝大部分直接被丢弃填埋。咖啡渣内部含有美拉德反应生成的类黑精、木质素等发色基团，拥有从紫外、可见光到近红外的宽光谱光热转换能力，是被低估的生物质功能原料。

波兰科学院 Filippo Pierini 教授联合德国洪堡大学、意大利博洛尼亚大学和澳大利亚CSIRO组成的跨国团队，做了一件很有意思的事，把废弃咖啡渣改造，结合两种金属有机框架（MOF），用静电纺丝+静电喷雾加工技术一步制备出新型空气过滤膜 MOF—SCG/PAN。这块薄膜可以同时拦截颗粒物、吸附有毒氨气，更酷的是晒太阳或者近红外光照射，就能自己升温杀灭滤网上积攒的微生物气溶胶，不需要化学消毒剂，也不用外接加热电源。

一、传统空气过滤器的缺陷

我们熟悉的 HEPA 高效滤网，过滤 PM 能力很强，但短板非常现实：

• 只能拦灰尘，很难吸附气态污染物，比如氨气这类刺激性有毒气体；
• 滤网捕获细菌、真菌、病毒等生物气溶胶之后，微生物会在滤膜表面堆积繁殖，滤网本身变成潜在污染源；
• 没有自消毒能力，想要杀菌，要么添加抗菌化学药剂，要么加装 UV 灯，增加设备成本与能耗；
• 耗材大多来自化工原料，废弃之后环境负担大。

市面上很多研究，会把 MOF、光热材料一股脑全部混在同一份纺丝液里面。但简单粗暴混合会带来副作用：不同功能材料互相遮挡，比表面积被浪费，传气通道被堵死，压降飙升，过滤阻力变大。

这篇文章的核心巧思，不是简单把所有材料搅在一起，而是做空间分区设计。

二、空间分区双 MOF + 咖啡渣，同步静电纺丝+静电喷雾 “一步成型”

图1.MOF—SCG/PAN 制备策略与多功能原理示意图

1.最大设计思路：空间隔离双 MOF，各司其职，互不干扰

很多研究直接把多种 MOF 简单混掺进纤维，会堵塞孔道、活性位点互相遮盖，性能大打折扣。

本工作采用同步电纺 + 静电喷雾一步成型

• 静电纺丝：MOF—177 嵌入 PAN 纳米纤维，主攻氨气气体吸附
• 静电喷雾：ZIF—8 修饰咖啡渣微颗粒表面，主攻颗粒物捕获

不是粉末简单混合！两套进料体系同时沉积，两种功能 MOF 天然分布在不同相，保留高孔隙与活性位点。

图2.四种滤膜的微观形貌与元素表征

2.废弃咖啡渣一物三用

咖啡渣不再只是填充废料，一身承担三重功能：

• 光热核心：自带类黑精、木质素发色团，紫外—可见—近红外宽光谱吸收，光照产热，实现无化学药剂热杀菌
• 结构骨架：咖啡渣微颗粒搭建开放孔隙，大幅降低滤膜风阻
• 疏水改性：95℃温和退火，表面脂肪酸迁移，水接触角≈145°，接近超疏水；高湿环境下不怕水汽浸润，保障气体吸附性能

三、主要实验成果

1.空气过滤与氨气吸附性能

图3.滤膜孔结构、润湿性、力学、过滤及氨气吸附性能

测试条件在高面风速（接近 NIOSH 呼吸器测试流速 4.5 倍）

• PM₂.₅过滤效率 99.7 %
• 压降仅 267.4 Pa，约为不含 MOF 对照膜的一半，透气性大幅提升
• PM_2.5品质因子 Q_F 达到 21.72 kPa^-1，远高于对照组，实现 “高效同时低风阻”
• 氨气蒸汽去除效率可达83.4 %，即便在 RH≈97 % 高湿环境依旧保持气体吸附能力

2. 优异的宽光谱光热性能

图4.MOF—SCG/PAN 在近红外、模拟太阳光下的光热性能

咖啡渣的天然发色团赋予滤膜多波长响应：近红外 808 nm 激光，或是模拟太阳光都可以加热。

• 模拟 1 倍太阳光照射，膜表面温度轻松突破80 ℃（最高约 84 ℃），达到热灭菌温度
• 3 W 近红外照射，最高温度可达 112 ℃
• 5 轮反复加热—冷却循环，升温性能几乎没有衰减，光热循环稳定性好

多孔结构还会带来光陷阱效应：多孔纤维颗粒网络增加光散射光程，进一步提升光热转化效率。

3. 真实办公室环境生物气溶胶灭活测试

图5.办公室环境生物气溶胶捕获与辐照后培养评估

研究没有只做实验室标准菌液，直接把滤膜放在有人办公的办公室连续过滤 3 天，让滤膜真实富集室内空气中细菌、真菌生物气溶胶。之后再做光照灭菌处理，琼脂培养观察微生物生长。

实验结果：

• 不光照对照组：滤膜上截留的微生物会大量繁殖，长出霉菌菌落；仅仅 MOF 本身没有杀菌效果，必须依靠光热激活
• 近红外 3 W 照射 20 min：MOFSCG/PAN 可以长期抑制可见微生物生长
• 模拟太阳光照射 10 min（效果最强）：太阳光除热效应外，紫外组分协同光化学损伤，无论是直接接触培养还是表面转印（Stamp test），均观察不到肉眼可见菌落
• 更低功率近红外（2.0 W、2.5 W）灭活效果不足，呈现清晰的剂量效应关系

现实意义：未来这个滤膜，可借助环境自然光就可以周期性 “自消毒”，不需要化学消毒剂，不需要持续外接供电，缓解滤膜生物二次污染。

4. 材料综合特性

• 水接触角≈145°，高疏水，抗高湿水汽
• 杨氏模量保留充足，支撑式过滤场景力学够用
• MOF 总负载约 30 wt.%，通过电纺、电喷两相分担，避免单一纺丝液填料过高造成纤维断丝

四、研究意义

• 废弃物高值化范式：把咖啡渣这种大宗餐厨废弃物，同时当光热填料、结构填料、疏水改性剂，减少人工合成功能填料依赖，符合绿色材料思路
• 空间分区双 MOF 设计思路：证明静电纺丝—静电喷雾同步共沉积，是实现多 MOF 各司其职的有效手段，避免混合掺杂的性能损耗，这套思路可以推广到其他多功能滤膜
• 单膜一体化多功能：一张膜同时搞定颗粒物过滤、有毒气体吸附、光热原位消杀，不再需要 HEPA + 活性炭 + 紫外灯多层模块，简化净化器结构
• 被动消杀潜力：在有采光的室内，依靠自然光就可实现滤膜自消毒，降低运行能耗

DOI:10.1002/smll.76528

五、佛山微迈多功能静电纺丝机E04，一体化纳米纤维制造平台

本文报道的静电纺丝+静电喷雾同步沉积策略，核心是要让静电纺丝与静电喷雾在同一片基材上同时成膜，两套功能材料空间分区、各司其职，并在 30 wt.% 的高负载下保持纤维不断。佛山微迈 E04 多功能静电纺丝机集成静电纺丝、共轭纺丝、同轴纺丝、纳米纺纱与超声静电喷雾，搭载可调速伺服滚筒接收模块与全舱体温湿度闭环控制系统，支持 PAN、MOF 掺杂这类多相体系的稳定纺丝，可灵活开展双相同步沉积与单相纺丝对照实验，为空气过滤、多功能滤膜方向的科研工作提供一体化静电纺丝纳米纤维制造平台。