随着工业化进程的加快,环境污染日益严重,特别是在发展中国家,严重威胁着人类的健康。其中,不同大小的颗粒物(PM)是主要的空气污染物,PM富含大量有毒有害成分,在大气中停留时间长,严重影响大气环境的质量。研究表明,颗粒越小对人体健康的危害越大,因为直径越小,进入呼吸道的部位越深。10 μm直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道,2 μm以下的可深入到肺泡。细颗粒物进入人体肺泡后,直接影响肺的通气功能,使机体容易处在缺氧状态。已经有大量的流行病学研究表明长期暴露在细颗粒物环境中,人的免疫系统和神经系统会受到严重影响,增加患急性呼吸道疾病与心脑血管疾病的风险。因此,公众在雾霾天气期间通常需要采取措施进行户外个人保护,主要集中在空气过滤器的使用。通常使用的空气过滤器分两种类型,一种是多孔膜过滤器,这种类型的空气过滤器是通过在固体基底上产生孔隙而制成,并且通常具有非常小的孔径以过滤具有较大尺寸的PM。但是这种类型过滤器的孔隙率低(30%),即虽然过滤效率高,但是透气性差。另一种类型的空气过滤器是纤维空气过滤器,是通过厚物理屏障和粘附效应捕获PM。为了获得高效率,这种类型的过滤器通常非常厚,因此透气性差。此外,研究发现当空气过滤器的表面被改性以匹配PM的表面性能时,单纤维的捕获能力能够被有力增强。因此,为了满足高效低阻PM过滤器的要求,我们在这里根据已有的研究成果开发出了新型的复合纳米纤维过滤膜,其具有高过滤效率,低气流阻力和优异的力学性能。基于静电纺丝方法制备的纳米纤维过滤膜具有比表面积大、孔隙率高和制备过程简单等一系列优点,本文采用静电纺丝的方法制备均匀的纳米纤维过滤膜来进行以下几个方面的研究:(1)通过一步静电纺丝法在聚丙烯腈(PAN)纳米纤维表面和内部镶嵌氧化还原石墨烯(rGO)纳米片,制备rGO功能化的PAN高效低阻纳米纤维过滤膜。研究结果表明复合纳米纤维膜在高气流下的过滤性能得到了明显的改善。其中,含有2.5 wt.%rGO纳米片的纳米纤维过滤膜表现出最优的PM去除效率(99.9%),0.094Pa-1的品质因数以及仅70Pa的压降。此外,rGO复合PAN纳米纤维膜的拉伸强度(0.48～1.25 MPa)远高于纯PAN纳米纤维膜的拉伸强度(0.19 MPa),使纯PAN纳米纤维膜的力学性能得到明显改善。(2)接下来,为了改善聚合物纳米纤维膜的固有缺陷(热稳定性差、对0.3μm的PM几乎没有吸附效果),受半导体纳米材料光电效应的启发,我们采用静电纺丝和热处理相结合的方法制备TiO2复合碳基纳米纤维膜,使纯碳纤维过滤膜的PM捕获效率从40.71%提高到99.92%,同时膜的压降保持在70 Pa以下,QF高达0.111Pa-1。同时,TiO2纳米颗粒的小尺寸效应,使复合碳纤维膜的柔性得到明显改善。并且,通过设计光照实验证明了所制备TiO2复合碳基纳米纤维膜在紫外光照射下具有优异的PM吸附能力,特别是对于PM0.3。结合紫外光电子能谱(UPS)测试和三维时域有限差分(FDTD)模拟,并根据半导体复合材料的能带弯曲理论,得出半导体TiO2复合碳纳米纤维异质结在肖特基势垒的作用下形成内建电场,清楚地解释了所制备材料的优异单纤维过滤性能主要是由于静电吸附的作用,为以后的研究实验奠定了基础。