中国林科院木工所于文吉团队丨Exploration：

研究背景

在空气污染治理领域， “ 高效拦截 PM” “ 广谱吸附毒气 ” “ 环境友好降解 ” 三者长期存在协同优化挑战。现有滤材中，熔喷布依赖微米级纤维致密堆积导致高压降，活性炭吸附容量易饱和且再生困难， MOFs 材料受限于加工成本与机械性能。中国林科院于文吉团队另辟蹊径，从人体呼吸系统分级过滤机制中获得灵感：鼻腔绒毛阻隔 PM10 （＞ 2.5μm ）；支气管粘液捕获 PM2.5 ；肺泡毛细血管吸附纳米颗粒。基于此原理，团队以天然竹纤维素纤维（ BCFs ）为载体，原位生长微孔 ZIF-67 金属有机框架，构建仿生三阶过滤网络（ ZIF-67@BCFs ）：大孔级（ >50μm ） BCFs 骨架物理拦截 PM₁₀ ；介观级（ ~10μm ）竹微纤维网络捕获 PM₂.₅ ；微孔级（ 1.6nm ） ZIF-67 吸附气体分子及 PM₀.₃ 。这种材料实现了 PM₀.₃ 至 PM₁₀ 以及甲醛的高效协同净化，为绿色空气过滤技术提供 新策略 。

研究内容

本研究通过仿生多级孔道设计，将竹纤维的可持续基底特性与ZIF-67的微孔吸附优势结合，协同优化了过滤效率、压降控制与环境友好性之间的效能平衡难题。材料展现出超高PM去除率（PM 10 99.9%PM 2.5 99.3%PM 0.3 98.6% ）和气体吸附性能（ TVOCs 91.1% ，甲醛 88.7% ），同时还兼具抗菌性（抑菌率 99.9% ）和环境友好性（降解率 80.1% ， 0 皮肤刺激），为口罩、新风系统等应用提供绿色技术路径。其多尺度协同机制对新型环境功能材料设计具有普适性参考价值，有望推动空气净化技术向低碳化发展。

图文解析

01 分级过滤：生物启发与材料实现

人体呼吸系统通过三级梯度过滤防御污染物：鼻毛拦截 >2.5μm 颗粒（图 1A ），支气管黏附细颗粒，肺泡毛细血管清除气体分子。仿生设计的核心在于精准复现这一自然机制，研究团队据此设计材料的三级结构： BCFs 骨架形成大孔（ >50μm ）拦截粗颗粒（图 1D ），其微纤维网络（孔径分布 10-50μm ）捕获 PM₂.₅ （图 1E ）， ZIF-67 的 1.6nm 微孔吸附气体及纳米颗粒（图 1F ）。这种跨尺度协同使污染物无处遁形

图 1 人体呼吸系统分级过滤过程及其 ZIF-67@BCFs 制造的启发

02 竹纤维遇上 MOF ：微纳尺度协同增强机制

通过超声辅助合成策略（ 80% 功率， 4 小时），在竹纤维素三维网络上均匀锚定 ZIF-67 纳米颗粒（粒径 425.4nm ），粗糙度提升 176% 。 XRD 结果显示 ZIF-67@BCFs 在 7.4° 、 10.4° 、 12.7° 等位置出现 ZIF-67 特征峰（ 011 ）、（ 002 ）、（ 112 ）晶面。 XPS 证实 Co²⁺ 特征峰（结合能 781.4eV 和 796.9eV ）及 C-N 键（ 285.9eV ）形成， XPS 与 XRD 共同证实 ZIF-67 成功负载。负载后的 ZIF-67@BCFs 的比表面积从 BCFs 的 16.3m²/g 提升至 445.2m²/g ，孔体积扩大 5 倍（ 0.217 vs 0.0425mL/g ），平均孔径从 10.45nm 降至 1.96nm ，孔结构得到极大优化，实现微 - 介 - 大孔全尺度覆盖。

图 2 ZIF-67@BCFs 微观结构及元素分布

图 3 ZIF-67@BCFs 的比表面积和孔径分布

03 综合性能：过滤、抗菌、降解协同优化

过滤性： ZIF-67@BCFs 的 PM₁₀ 过滤效率高达 99.9% ， PM₂.₅ 达 99.3% （水洗 15 次后 PM₂.₅ 仍保持 97% 以上），对于极其微小的 PM₀.₃ 也能够达到 98.6% ，在超高过滤效率的同时，压降并未显著增加，极大的满足了高效低阻需求，优于同类 MOF 滤材 30% 以上，在气体吸附方面， ZIF-67@BCFs 在 30 分钟的甲醛清除率为 88.7% ， TVOC 清除率高达 91.1% ，远远超过商用活性炭吸附剂；

抗菌性： ZIF-67@BCF 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率高达 99.9% ，在阻断病原体（如空气传播的细菌）方面表现出色；

降解性：生物可降解测试显示， ZIF-67@BCFs 在 α- 糜蛋白酶的 14 天降解率高达 80.1% ，远高于传统口罩（ 1% ）；

生物相容性：白兔皮肤单次接触实验证实 ZIF-67@BCFs 为零皮肤刺激（红斑 / 水肿评分 =0 ）， ISO 10993-10 认证无刺激，适用于可穿戴设备。

图 4 ZIF-67@BCFs 的 PM 过滤性能和甲醛吸附性能

图 5 ZIF-67@BCFs 的 抗菌 性 和环境友好 性

引用本文：

Gao Q, Gan J, Wang P, Huang Y, Zhang D, Yu W. Bio-inspired hierarchical bamboo-based air filters for efficient removal of particulate matter and toxic gases. Exploration (Beijing). 2024 Jun 10;5(1):20240012.

doi: 10.1002/EXP.20240012

发表信息

该研究以“Bio-inspired Hierarchical Bamboo-based Air Filters for Efficient Removal of Particulate Matter and Toxic Gases”为题发表于《Exploration》。中国林科院木工所博士生高琪为第一作者，中国林科院木工所黄宇翔副研究员、中国林科院林化所张代晖研究员、中国林科院首席科学家于文吉研究员为共同通讯作者。

Exploration由河南大学、中国生物物理学会纳米生物学分会主办，Wiley出版，是聚焦于学科交叉融合的综合性国际学术期刊。2021年1月创刊，共计发表5卷23期252篇文章，JCR首个影响因子22.5（web of science），目前在全球综合学科中排名第5。