近日，技术研究院纺织纤维及制品教育部重点实验室王栋教授团队青年教师徐佳博士在国际知名学术期刊 Advanced Materials 上发表题为“Spray-Freezing-Templated Vertically Graded Macroporous Aerogel Membranes for Ultrahigh-Flux Filtration of Polydisperse Microplastics” 的高水平研究论文。武汉纺织大学为论文第一署名单位，硕士研究生李慧敏和吴青为论文共同一作，王栋教授和青年教师徐佳博士为共同通讯作者。
论文针对全球日益严重的微塑料污染问题，提出了一种通过一步法制备具有垂直梯度孔径结构的气凝胶膜的新策略，为实现高通量、高截留率的微塑料分离提供了新思路。
微塑料污染已渗透到海洋、淡水和陆地生态系统，其粒径跨度大（亚微米至毫米级），对传统过滤膜提出了严峻挑战。传统膜材料往往面临“选择性-渗透性”权衡难题，且多步制备工艺复杂、重复性差，难以应对复杂水体环境中的多尺寸分散微塑料。针对这一瓶颈，研究团队开发了一种基于温度梯度控制的一步喷雾冷冻技术。通过协同调控基底温度（-50°C至0°C）、悬浮液流速和喷头距离，精确匹配冷凝前沿速度与液滴积累动力学，成功制备出具有无缝梯度孔径结构的垂直梯度气凝胶（GE）膜。该膜孔径从顶层的约100 μm连续减小到底层的约3 μm，并含有低至0.2 μm的限制性孔喉。
研究表明，该GE膜在微塑料过滤中展现出卓越的性能。对于10 μm和5 μm的微塑料，其渗透通量分别高达35,586 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹和25,479 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，且截留率均超过99.7%。这种优异性能归功于其独特的“双梯度”设计：一方面，垂直梯度孔径实现了“深度过滤”机制，使不同尺寸的微塑料在膜内不同深度被截留，有效缓解了表面滤饼层的形成；另一方面，膜表面具有负电荷梯度，通过静电排斥作用防止微塑料堵塞孔道，显著增强了抗污染能力。
在实际应用层面，研究团队利用长江水样进行了模拟测试。结果显示，在含有大量泥沙等杂质的复杂水体中，GE膜的表现显著优于商业PTFE膜。其分层架构能有效管理沉积物负荷，维持高通量的同时保持对多尺寸分散微塑料（1-10 μm）的高效截留。此外，该膜具有良好的机械稳定性和可重复使用性，经过500次水下压缩循环后仍能保持结构完整，并可通过简单的盐水冲洗实现再生。这一可扩展的平台技术不仅为下一代分离材料奠定了基础，也为开发多功能复合架构提供了通用方案。
