英文原题：Carbon nanotube-based photothermal membrane for efficient cold air heating and removal of particulate matter and airborne bacteria

作者：Weichao Dong, Lina Huang, Xiangju Song*, Yan Zhang, Mengke Liu, Zhenzhen Ren, Long Pang, Hui Peng, Heqing Jiang*

01 论文信息

论文信息

W. Dong, L. Huang, X. Song, et al. Carbon nanotube-based photothermal membrane for efficient cold air heating and removal of particulate matter and airborne bacteria[J]. Green Carbon 2024 2(1) 101-108.

论文关键词

Indoor heating; Carbon nanotubes; Multifunctional photothermal membrane; Hierarchical structure; Particulate matter

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2023.12.002

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Carbon nanotube-based photothermal membrane for efficient cold air heating and removal of particulate matter and airborne bacteria

中文解读原链接

Green Carbon│中国科学院青岛能源所江河清研究员、宋向菊副研究员：兼具冷空气加热和净化功能的碳基光热膜

02 背景简介

随着社会公众对于室内环境质量要求日益提升，通风作为改善室内空气品质的有效途径已经变得尤为重要。尽管如此，在冬季低温条件下，外部冷空气及空气中携带的细菌、悬浮颗粒物（PM2.5）等污染物对人类健康构成了严重威胁。虽然电加热和新风系统能够在一定程度上满足室内供暖与空气净化的需求，但这些方法往往伴随着高能耗问题，并有可能加剧空气污染。在此背景下，膜分离技术作为一种低碳节能的关键技术，已在海水淡化、废水处理等多个领域得到广泛应用。特别是光热界面蒸发技术，它通过光热膜捕获太阳能并将其转化为热能，进而促进液态水向水蒸气的转化。这一技术的启示在于，光热膜在空气净化领域同样具备应用前景。利用光热膜直接将太阳能转换为热能，可以减少能量转化过程中的损耗。此外，通过对光热膜微结构的精确调控，可以有效地拦截空气中的污染物和悬浮颗粒物，从而有望显著提升室内空气质量。这不仅能更好地满足人们对高品质室内环境的追求，而且有助于推动室内环境质量的整体提升。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所江河清研究员和宋向菊副研究员在Green Carbon上发表标题为“Carbon nanotube-based photothermal membrane for efficient cold air heating and removal of particulate matter and airborne bacteria” 的研究文章，开发了兼具冷空气加热和净化功能的碳基光热膜，研究了复合膜的微结构对光热转化性质及分离性能的影响，揭示了复合膜对冷空气加热和PM2.5截留的作用机制。

03 文章简介

碳纳米管基复合膜的结构表征

本研究采用非溶剂诱导相转化方法制备碳纳米管基复合膜（MWCNT@PSF-PSF），其中碳纳米管主要分布于光热分离层，提高了复合膜光吸收和光热转化性能（图1b），同时上表面纳米孔（170 nm）可通过尺寸筛分作用有效截留空气中的细菌、颗粒物等，而复合膜底层 “指状孔”结构则促进了空气的快速传输（图1b和1c）。通过多级孔的有效结合，该复合膜展现出高效的空气净化潜力。

图1. 碳纳米管基复合膜及微结构表征

碳纳米管基复合膜的光吸收和光热转化性能

相比于纯聚砜膜（PSF），碳纳米管基复合膜（MWCNT@PSF-PSF）对入射光具有更低的漫反射和透射率，表现出优异的光吸收特性。此外，如图2所示，碳纳米管基复合膜在1 min内表面温度可达到66 .7 ℃，远高于PSF，表明其具有快速热响应特性，结合其较高的热导率（0.9347 W m⁻¹ K⁻¹），可促进膜和冷空气之间有效的热交换，促进冷空气快速升温。

图2. 聚砜膜和碳纳米管基复合膜光热转化性能

冷空气加热和PM2.5截留性能

图3. 空气加热净化测试系统示意图

空气加热净化测试系统如图3所示，以低温空气为进料气并利用温度检测器实时监测渗透侧空气温度。如图4a所示，冷空气经过碳纳米管基复合膜，在15 min内，空气温度可提高14 ℃，显著优于聚砜膜。同时，其对PM2.5的截留率高达99%，表明其具有优异的冷空气加热和净化作用。在连续32 h测试后，复合膜渗透侧空气温度和PM2.5的去除率几乎保持不变，表明其良好的稳定性（图4b）。此外，考虑到空气中的细菌传播对人类健康的不利影响，本工作还考察了复合膜的抑菌作用，体现了碳纳米管基复合膜在冷空气加热、净化及抑菌等方面的多重优势。

图4. 聚砜膜和碳纳米管基复合膜空气加热和PM2.5截留性能

总结与展望

在本研究中，作者开发了一种兼具冷空气加热和净化功能的复合膜。通过将良好光热特性的碳纳米管引入到复合膜并调控膜孔结构，可有效提高复合膜的光吸收和光热转化特性，显著提高渗透侧空气温度；此外，利用复合膜表皮层纳米孔截留PM2.5和细菌，下层大孔促进空气传输。本工作开发的多功能复合膜为室内空气质量的改善提供了一项有益的探索途径。

04 文章摘要

Abstract

Indoor heating results in high energy consumption and severe atmospheric pollution. Although the development of solar air heaters provides a sustainable route for indoor thermal comfort, such heaters still face challenges in terms of adequate heat exchange and filtering of atmospheric pollutants. Inspired by solar-driven interfacial evaporation, we propose a multifunctional carbon nanotube-based photothermal membrane for efficient cold air heating and purification via ventilation. Carbon nanotubes endow the membrane with high light absorption and thermal conversion capabilities, thereby sufficiently heating the approaching cold air. With the hierarchical structure formed by phase inversion, the thin upper skin of the composite membrane intercepts micropollutants via the size-sieving effect, whereas the finger-like pores and interpenetrating macrovoids inside the membrane ensure that the heated clear air passes through quickly. A proof-of-principle experiment indicated a cold airflow of 1 L/min across the membrane, yielding a temperature increase of ca. 37 °C as well as a PM 2.5 rejection always higher than 93%. Further antibacterial experiments demonstrated that the membrane effectively removed airborne bacteria. This multifunctional carbon nanotube-based photothermal membrane with specific microstructures not only improves the indoor living quality but also provides a sustainable development scheme to coordinate the relationship among energy utilization, building heating, and air purification.

05 作者简介

江河清 研究员

江河清，研究员，博士生导师，国家级人才计划入选者，山东省泰山学者特聘专家。现任中国科学院青岛生物能源与过程研究所副所长，化学工程学科负责人，氢能与燃料电池研究室主任。先后主持国家重点研发计划、国家基金委面上项目、国际合作等项目多项。长期从事多功能膜材料开发、膜分离及相关集成工艺研究，相关研究成果入选山东省自然科学二等奖，在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、AIChE J.等权威期刊上发表论文100余篇，获授权专利20余项。目前担任Green Carbon、Frontiers in Chemistry副主编，Nano Research、《过程工程学报》、《水处理技术》、《膜科学与技术》等期刊（青年）编委。

宋向菊 副研究员

宋向菊，副研究员，硕士生导师，2020年入选中国科学院青岛能源所优秀博士后，中国科学院特别研究助理。主要从事多功能膜材料开发及其在分离领域的应用研究，在Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、J. Membr. Sci.等期刊发表论文20余篇，申请专利近10件。主持国家基金委青年基金、中国博士后面上项目、山东省自然科学青年基金等项目，获山东省自然科学二等奖（第四完成人）。

06 Green Carbon

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