面向颗粒物污染的高通量碳基净化材料的设计与构建

This proposal mainly focuses on the design and construction of high performance carbon-based filtration materials towards particulate matter in ambient air. Facing the severe air pollution issue, especially for particulate matter, current commercial filtration materials always have low efficiency. Here we employ graphene as the building block to construct graphene-based aerogel with high specific surface area and porous structure. By precisely tuning the pore structure and modifying the surface chemistry of the graphene-based aerogel, we investigate the filtration performance towards particulate matter and adsorption performance towards VOCs and other gaseous pollution. We further investigate its perforamnce in real devices such as indoor air purifier. We also use modelling simulation to optimize the structure, further realize the fabrication of high performance carbon-based adsorption materials with high flux. Our project can facilitate and provide fundamental support for future air pollution control.

本项目聚焦于面向大气颗粒物污染的高通量碳基净化材料的设计与构建。针对颗粒物特别是细颗粒物的严重危害以及目前净化材料效率低等现状，以石墨烯为基元材料，通过材料设计和结构优化，构建大比表面积和丰富孔隙结构的碳气凝胶材料。通过对材料制备科学的深入研究，对材料孔结构、表面化学进行精确调控，实现对不同尺寸颗粒物的过滤和其他气态污染物的吸附的协同净化功能。构建以空气净化器为代表的一系列实用性器件模型，考察所得材料在实际空气净化中的性能，利用数值模拟进行材料结构优化设计，获得高通量高性能碳基净化材料。本项目的实施对改善空气质量，推动碳纳米材料在大气污染防治中的应用，实现材料科学与环境科学的有机结合具有重要意义。

雾霾污染严重危害人类健康，颗粒物净化材料对于个人防护与密闭环境空气质量至关重要。然而，高过滤效率与高通量（低风阻）通常不可兼得。本项目针对上述瓶颈，创新地提出了利用石墨烯基层次孔结构模型实现高效拦截和高通量的“双高”颗粒物净化机制，开展了从模型构建、材料设计、结构调控、应用探索和新原理新技术的全链条研究，构建了具有“大-中-微-纳”层次孔道结构的石墨烯基层次孔碳，阐明连通的层次孔结构对于宽粒径颗粒物的净化机制，实现了其针对颗粒物“高过滤效率”和“高通量”的“双高”目标。第三方检测证明其对于PM2.5以及超细颗粒物PM1.0、PM0.3的过滤效率均高于99%；同时，该材料对大肠杆菌、金黄色葡萄糖菌具有良好抑制效果，为医疗卫生领域的应用奠定了基础。项目共发表学术论文7篇，授权发明专利2项，坚持目标导向，积极推进产业化应用，宏量制备与中试产品初显成效。. 本项目的顺利实施，为空气净化产业提供了变革性材料解决方案，并为其在医疗卫生、工业净化等多领域应用奠定了夯实的基础。