基于二维材料的空气净化器

随着城市化进程的加速和工业化程度的提高，空气污染问题日益严重，已经成为全球性的环境问题之一。为了改善室内和室外空气质量，人们广泛使用各种类型的空气净化器。然而，传统的空气净化器总是存在一些局限性，如净化效率低、能耗高、噪音大等问题。

近年来，石墨烯复合材料作为一种新型的空气净化材料备受关注。石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有优异的导电性、导热性、机械强度和表面积等特点。通过将石墨烯与其他功能材料（如金属氧化物、聚合物等）复合制备而成的复合材料，在吸附和催化降解污染物方面具有很大潜力。

近日，来自韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系的多维定向纳米组装国家创新研究中心的Suchithra Padmajan Sasikala和Sang Ouk Kim教授在ACS Nano上以Application of 2D Materials for Adsorptive Removal of Air Pollutants为题发表综述文章，通过对石墨烯复合材料在空气净化器中的应用进行了深入研究，为解决空气污染问题提供了新思路和新方法。

图1基于二维材料的空气过滤器示意图。
图源：ACS Nano 16, 17687 (2022).

空气污染是全球日益严重的问题，有害污染物如颗粒物和挥发性有机化合物（VOC）对人类健康构成了重大威胁。为了应对这一挑战，研究人员一直在探索新材料，以有效地从我们呼吸的空气中去除这些污染物。而其中一个很有前途的解决方案是使用二维材料。

二维材料是一类仅有一层或几层原子厚度的材料，具有出色的机械、电学和光学性质。其中最具代表性的是石墨烯（Graphene），它是由碳原子构成的单层蜂窝状结构，在电导率、机械强度等方面都表现出色。除了石墨烯之外，还有许多其他类型的二维材料，如过渡金属硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）、过渡金属碳化物（Transition Metal Carbides, MXenes）等。这些材料已广泛研究其在电子、能源存储和生物医学领域的潜在应用。然而，最近的研究表明，它们在空气过滤与净化方面也具有极大的潜力。

近年来，研究人员在开发基于二维材料的空气过滤器方面取得了重大进展，这些过滤器对各种类型的污染物如颗粒物和VOC具有高效去除能力。这些过滤器在实验室测试中表现出色，并且预计将比传统空气过滤器更具成本效益。

对于空气过滤而言，最有前途的二维材料之一是氧化石墨烯（GO）。GO是石墨烯的衍生物，在其表面含有氧功能团。这些功能团使GO高度亲水，并使其易于分散在水基溶液中。这种特性使GO成为开发成本效益高、能够从空气中去除有害污染物的理想候选材料。

还有一种二维材料是还原氧化石墨烯（rGO），它通过化学或热处理将GO还原而成，从而去除其表面的一些氧功能团。这个过程产生了一种比GO具有更好电导率和机械强度的材料。

基于二维材料制备的空气净化器相比传统净化器具有以下优势：

1.高效净化能力

二维材料具有极高的比表面积，可以提供更多的吸附位点，从而提高净化效率。例如，石墨烯的比表面积可以达到2630平方米/克，是传统吸附材料的数百倍。

2.环保节能

基于二维材料制备的空气净化器不需要使用化学物质，不会产生二次污染，具有较低的能耗和运行成本。同时，二维材料可以通过可持续的制备方法获得，如机械剥离、化学气相沉积等。

3.多功能性

由于二维材料具有出色的机械、电学和光学性质，因此可以通过调控其结构和表面性质来实现多种功能。例如，可以将石墨烯与其他材料复合，制备出具有光催化、电催化等多种功能的空气净化器。

图2主要空气污染物的示意图（顶部），基于二维材料的自立结构（中部），以及它们作为过滤器去除空气污染物的应用（底部）的原理图展示。
图源：ACS Nano 16, 17687 (2022).

目前，基于二维材料的空气净化器已经取得了一定的研究进展。其中代表性的研究成果有石墨烯复合材料、过渡金属硫族化合物（TMDs）和过渡金属碳化物（MXenes）等。

1.石墨烯复合材料

石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维材料，具有出色的导电性、热导率和机械强度。由于其独特的物理和化学性质，石墨烯已经成为了材料科学领域的研究热点之一。在空气净化领域，石墨烯也被广泛应用于空气净化器的制备中。

其中，将石墨烯与其他材料复合可以实现多种功能。例如，将石墨烯与钛酸钡（BaTiO3）复合可以制备出具有光催化降解VOCs（挥发性有机物）能力的空气净化器。这是因为钛酸钡具有良好的光催化活性，在紫外光或可见光的作用下可以将VOCs降解为无害物质。而将钛酸钡与石墨烯复合，则可以利用石墨烯的高导电性和大比表面积来提高催化剂的分散度和接触面积，从而提高催化效率。

另外，将石墨烯与金属有机骨架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）复合可以制备出具有高效吸附PM2.5（直径小于等于2.5微米的颗粒物）能力的空气净化器。MOFs是一类由金属离子和有机配体构成的多孔材料，具有高比表面积和可调控的孔径大小。将MOFs与石墨烯复合，则可以利用石墨烯的导电性和MOFs的高比表面积和孔径大小，实现对PM2.5的高效吸附。此外，石墨烯还可以与其他材料如氧化铁、氧化锌等复合，制备出具有光催化降解有害气体能力的空气净化器。

除了上述复合材料，石墨烯还可以与其他二维材料如二硫化钼（MoS2）、二硒化钼（MoSe2）等复合，制备出具有多种功能的空气净化器。例如，将石墨烯与MoS2复合可以制备出具有高效吸附甲醛（一种常见的室内污染物）能力的空气净化器；将石墨烯与MoSe2复合可以制备出具有高效吸附NOx（一类常见的大气污染物）能力的空气净化器。

除了复合材料，石墨烯还可以通过掺杂、修饰等方法来改善其在空气净化中的性能。例如，将石墨烯掺杂N、B等元素可以增加其活性位点数量和表面反应活性，从而提高其对VOCs等污染物的吸附和催化降解能力；将石墨烯表面修饰上亲水基团可以增加其对水溶性污染物的吸附能力。

因此，石墨烯复合材料在空气净化器中具有广泛的应用前景。通过与其他材料的复合、掺杂、修饰等方法，可以实现对不同污染物的高效吸附和催化降解，从而提高空气净化器的净化效率和性能。此外，石墨烯复合材料还具有较好的稳定性和可重复性，可以满足实际应用中对空气净化器长期稳定运行和高效净化的要求。

然而，目前石墨烯复合材料在空气净化器中的应用还存在一些挑战和问题。首先，石墨烯等二维材料的制备成本较高，限制了其在大规模生产中的应用。其次，在实际应用中，空气中污染物种类和浓度变化较大，需要针对不同污染物设计不同的复合材料或调整其组成比例和结构参数。此外，在复合过程中需要考虑到材料之间的相容性、分散度等问题，以充分发挥各组分的优势。

为了克服这些问题，当前研究主要集中在以下方面：一是开发低成本、高效率的制备方法，如溶剂剥离法、机械剥离法等；二是探索新型复合材料及其制备方法，并通过理论计算和实验验证来优化其结构和性能；三是开展系统性的研究，以了解不同污染物对复合材料的吸附和催化降解行为，并针对性地设计和优化复合材料的组成和结构。

图3用于SAR-CoV-2病毒检测的COVID-19场效应晶体管（FET）的原理图。
图源：ACS Nano 16, 17687 (2022).

2.过渡金属硫族化合物（TMDs）

TMDs是一类由过渡金属和硫族元素构成的二维材料，具有出色的光电性能。研究人员发现，将TMDs与石墨烯复合可以制备出具有高效吸附VOCs和PM2.5能力的空气净化器。此外，TMDs还可以通过光催化降解VOCs，具有更高的净化效率。

3.过渡金属碳化物（MXenes）

MXenes是一类由过渡金属和碳元素构成的二维材料，具有出色的电导率和机械强度。研究人员发现，将MXenes与多孔碳复合可以制备出具有高效吸附VOCs和PM2.5能力的空气净化器。此外，MXenes还可以通过电催化降解VOCs，具有更高的净化效率。

研究人员指出，基于二维材料的空气净化器未来发展方向包括多种二维材料的复合、纳米结构调控和智能化技术应用等。具体来说，

一、多种二维材料的复合。目前，研究人员主要将石墨烯、TMDs和MXenes等单一二维材料用于空气净化器的制备。未来可以将多种二维材料进行复合，以实现更多种功能。

二、纳米结构调控。通过纳米结构调控可以改变二维材料的表面性质和吸附能力，从而提高空气净化器的净化效率。例如，可以通过纳米孔道调控来增加吸附位点。

三、智能化技术应用。随着智能化技术的不断发展，未来可以将其应用于基于二维材料的空气净化器中。例如，可以通过传感器实时监测室内污染物浓度，并自动调节空气净化器的工作状态。

此外，本文还指出了未来石墨烯复合材料在空气净化器中的应用发展方向。例如，作者建议进一步探索其他类型的二维材料在空气净化器中的应用潜力，如过渡金属硫属化物、磷烯、Mxene、硼氮化物和碳氮化物等。同时，文章还建议开展更深入的机理研究和优化制备方法，以实现更高效、更稳定、更可靠的空气净化效果。

总之，基于二维材料的空气净化器是一种具有广阔前景的新型空气净化技术。虽然目前仍存在一些挑战和问题，但相信随着技术不断进步和研究深入开展，这种新型空气净化器将会得到广泛应用，并为改善人们呼吸环境做出更大的贡献。

参考文献：

Jun Tae Kim, Chan Woo Lee, Hong Ju Jung, Hee Jae Choi, Ali Salman, Suchithra Padmajan Sasikala, and Sang Ouk Kim, Application of 2D Materials for Adsorptive Removal of Air Pollutants. ACS Nano 16, 17687 (2022).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c07937