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中科院环境所郑煜铭研究员&钟鹭斌副研究员：具有非对称湿润性和表面电势的Janus纤维膜用于大气中双重增强雾气收集

更新时间：2025-01-16 16:14:40 人气指数：

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近日，中科院环境所郑煜铭研究员&钟鹭斌副研究员团队报道了一种基于简单顺序静电纺丝技术开发的Janus纤维膜，采用聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）/聚丙烯腈（PAN）复合材料，具有不对称的润湿性和表面电位，用于高效的雾水收集。通过调控疏水层的微观结构和厚度，研究者提升了单向水传输性能；同时，增大亲水层的水储存能力，改善了水滴排放性能，从而提高了收集效率。此外，高电压静电纺丝过程中表面电荷的生成促进了水滴的捕捉，通过静电吸附进一步提高了收集效率。基于这一协同设计，所制备的Janus纤维膜实现了雾水收集所需的所有顺序过程，包括水滴捕捉、定向水传输和水滴排放。该研究表明，所制备的Janus纤维膜在水收集效率方面表现出优异性能，达到1572 mg cm-2h−1。这项研究为雾水收集材料的制备提供了新的思路，并对优化大气水收集实践具有重要潜力。相关研究成果“A Janus fibrous membrane with asymmetric wettability and surface potential for dual enhanced fog collection from the atmosphere”发表在《Separation and Purification Technology》期刊上。

一、研究背景

全球淡水资源的短缺已成为一个严重的全球性问题，威胁着人类健康和福祉，并阻碍了可持续经济发展。为应对这一危机，已经采用了许多先进的淡水生成技术，如废水回收和海水淡化。然而，这些技术的应用受到表面水资源分布不均、基础设施需求大以及高成本等限制。大气水占地球淡水总量的约10%。大气水的收集具有为人类提供新的淡水来源的潜力，尤其是在半干旱和干旱地区，浓雾积累量较大的地区。为了提高水收集效率和实用性，研究者关注了两个关键过程：水滴捕获和收集水滴的脱落。为了优化水滴捕获性能，已提出通过引入静电场来加速水滴向收集表面的聚集，但这种方法面临高能耗、大型设备需求和安全隐患等挑战。此外，雾收集材料中吸附水的脱落性能也显著影响整体水收集效率，尤其是在亲水层中。迄今为止，关于Janus收集系统内部亲水层水脱落能力的讨论较少。如何设计具有简化制造工艺的材料，并通过优化这些关键属性来提高水收集效率，仍然是一个巨大挑战。

二、本文亮点

创新的静电纺丝策略：提出了一种简便的顺序静电纺丝策略，成功构建了具有不对称润湿性和表面电荷的Janus纤维膜（PVDF-TrFE/PAN），为水收集材料设计提供了新的思路。

优化的结构设计与水运输性能：该双层结构的纤维膜通过调节孔径和润湿性梯度，实现了高效的定向水运输，增加了水的收集效率，能够有效捕捉雾滴并引导水流。

优异的雾气收集性能：由于润湿性梯度和表面电荷的协同作用，该Janus纤维膜在雾气收集方面展现出卓越的性能，尤其在提升水储存能力和水分排除能力方面表现突出。

潜在应用前景：该研究为大气水资源的利用提供了宝贵的材料设计思路，具有显著的水收集效率和简单的制造工艺，尤其适用于应对淡水短缺问题，展现了广泛的应用潜力。

三、图文解析

图1. (a)为Janus静电纺丝膜的制备过程。研究者通过顺序静电纺丝技术成功制备了Janus纤维膜，采用PAN和PVDF-TrFE作为膜的初始聚合物。此外，PVDF-TrFE由于其优异的介电特性，在高电场下具有良好的载电能力。图1(b)为Janus纤维膜的横截面SEM图像。图1(c) 为Janus膜双层结构内水收集过程的示意图。

图2. 为疏水PVDF-TrFE层的微观结构。疏水层在调节Janus膜中水分运输方面发挥着至关重要的作用，主要通过提供水分流动的阻力来实现。减少这种阻力的关键因素包括疏水层的孔径和厚度。为此，研究者设计并表征了Janus膜中疏水层的形态，特别关注了水分运输行为的测试。图2a–c所示，PVDF-TrFE-5的平均纤维直径为0.27 µm，平均孔径为0.93 µm，而PVDF-TrFE-9则表现出1.47 µm的平均纤维直径和4.80 µm的平均孔径（图2d–f）。

图3. 通过表面接触角（WCA）评估了所纺制纤维膜的水分运输行为。如图3a所示，当水滴与PAN膜表面接触时，水滴迅速在上层扩散并迅速渗透，最终在1秒内表现出0°的表面接触角，表明膜的超亲水性，但水滴在表面留下了较大的湿润区域。由于在超亲水PAN膜上方存在疏水PVDF-TrFE层，水滴没有扩散开来，而是逐渐渗透入膜内。如图3b所示，对于PVDF-TrFE-5/PAN膜，水滴最初停留在表面，并稳定在115°的表面接触角，表明水滴无法穿透疏水层。对于PVDF-TrFE-9/PAN膜，水滴最初逐渐渗透疏水层，随后迅速穿透该层，最终在2秒内完全渗透进膜内。这一现象突显了双层膜优异的水分运输性能（图3c）。

图4. 为通过观察结果，解释Janus结构内部的水分运输机制。图4.(a)为基于杨-拉普拉斯方程提出的水滴在亲水和疏水电纺膜上的状态。图4(b)为双层Janus纤维膜的定向水分运输机制。如图4b所示，当水滴与疏水层接触时，水滴会受到由拉普拉斯压力产生的疏水力作用（θ > 90°，PL1 < 0）。随后，当水滴到达疏水-亲水界面时，由PL（PL2）提供的驱动力有助于水滴进入亲水层并存储在膜内。因此，独特的水分运输过程依赖于pH克服PL1，并在到达亲水层后，pH和PL2的联合作用。亲水PAN层具有相对较小的孔径和0°的表面接触角，表现出较大的拉普拉斯压力（PL2），这增强了水分向亲水层的运输。

图5. (a)为不同疏水层厚度（分别为3、9和15 µm）Janus膜的水分运输行为。如图5a所示，厚度的增加导致水滴在疏水层和亲水层之间的移动速度变慢。具有相对较薄疏水层（厚度为3 µm）的Janus膜表现出水滴快速渗透到疏水层的能力，这与PAN膜的行为相似。相比之下，具有最厚疏水层（厚度为9 µm）的Janus膜表现出显著较慢的水滴渗透速度，大约需要16秒才能穿透疏水层，这比其他电纺的Janus膜慢。观察到的现象可以归因于疏水层的增厚，导致水分运输路径的延长。此外，纤维膜密度的增加提高了阻力，从而导致更慢的运输速度。随后，研究者们进行了水收集实验，结果如图5b所示，以研究疏水层厚度对水收集行为的影响。具有适中疏水层厚度的膜表现出最高的效率（1572 mg cm-2h−1）。

图6. (a)为雾气收集设备的示意图；图6(b)随着亲水层厚度增加，PAN亲水层的水储存能力（JM-1、JM-2、JM-3、JM-4、JM-5、JM-6和JM-7分别表示亲水PAN层厚度为30、60、80、140、180、240和270 µm）；图6(c)为初始五滴水珠的滴落质量。研究者重点探讨了Janus膜亲水层水储存能力对其水收集性能的影响，同时保持疏水PVDF-TrFE层的孔径为4.8 µm，厚度为9 µm。为了验证这一影响，研究者制作了一系列具有不同亲水层厚度的Janus膜，并在相同条件下进行了雾气收集实验（图6a）。实验结果表明，亲水层的增厚能够提高水储存能力（图6b）。此外，还评估了初始五滴水珠的滴落质量（图6c），结果显示水滴质量呈现显著的一致性。尤其是，随着亲水层厚度的增加，滴落水珠的质量显著上升。具体记录的滴落质量分别为74、128、190、291、415、416和411 mg。这些发现表明，水储存能力的扩大与水收集性能的提升之间存在一定的正相关关系。

图7. (a)为随着亲水层厚度增加的Janus膜水收集量，为了进一步验证水收集效率，进行了为期1.5小时的雾气收集测试。图7a展示了具有不同亲水层厚度（从30 µm到270 µm）的Janus膜收集的水量。所有样品的水收集量随着采集时间的推移持续增加。同时，所有样品的水储存量最初迅速增加，随后在收集过程中趋于稳定。图7b和图7c分别展示了这些样品的水收集效率和稳定水储存量。可以观察到，随着亲水层厚度的增加，效率和水储存量最初增加，随后达到一个平台期。具体而言，当厚度小于60 µm时，亲水层的水储存相对较低，导致Janus膜的雾气收集效率较低（306-518 mg cm^-2h^-1）。图7(d)对不同类型膜收集器进行比较，具体包括亲水PAN（厚度为180 µm）、疏水PVDF-TrFE和Janus PVDF-TrFE/PAN（PAN层厚度为180 µm）。

图8.为Janus纤维膜亲水层水珠脱落机制。为了阐明发现背后的机制，研究者提出了一个关于水珠从Janus纤维膜亲水层上脱落的模型。超亲水性PAN纤维膜的作用是通过储存水分提高雾气收集效率。亲水层较薄时，储水空间有限，容易饱和，阻碍水分转移，导致效率降低。若亲水层储水能力与雾气流速匹配，能持续高效收集雾气，提高水收集效率。但如果亲水层过厚，效率不会进一步提升，因为它已经能有效吸附水分。实验结果显示，随着亲水层储水能力增加，水收集效率逐渐上升并稳定。

图9. （a）使用静电计检测了每种聚合物层在经过异丙醇处理前后的表面电荷。图9（b）为三种膜在表面电荷存在时的水收集效率均高于去除电荷后的效率。具体而言，Janus膜在去电荷处理后的水收集效率较高，水收集效率提高了27.3%。这一现象可以通过静电相互作用来解释（见图9c-d）。图9（e）为本研究与其他研究中采用膜的水收集效率比较。

四、总结展望

研究团队通过设计和制备具有不对称的润湿性和表面电性质的双层 Janus 纤维膜，并成功实现了高效雾霾收集。该膜采用简便且可扩展的双步电纺技术制备。由于其显著的润湿性和表面电荷差异，该双层纤维膜展现出优异的水收集效率。通过优化疏水层的微观结构和厚度，该膜实现了快速定向水传输并最大化水收集效率。研究表明，增加水储存能力有助于提升亲水层的水滴脱落性能，从而进一步提高水收集效率。在300 mL h−1的恒定雾流量下，PVDF-TrFE/PAN膜的亲水层厚度为180 µm时，水收集效率最高为1572 mg cm−2h−1。此外，采用高电压电纺技术引入表面电荷，促进了静电吸附效应，进一步增强了雾霾收集能力。该专门设计的多层纤维膜有望成为高效雾霾收集的竞争性候选材料，并为膜设计应对淡水短缺危机提供了宝贵的见解。

五、人物简介

中科院环境所郑煜铭研究员和钟鹭斌副研究员为该论文的共同通讯作者，中国科学院城市环境研究所硕士研究生李晨曦为该论文的第一作者。该工作得到了国家重点研发计划(2022YFC3702800)、宁波市科技创新 “2025 ”重大专项（2022Z028）、厦门市科技计划项目（3502Z20191021）、国家自然科学基金（52300143）、福建省科技计划项目（2022H0045、2024H0036）、中国博士后科学基金（No. 2022M723082），以及 “自净城市 ”抢占制高点指导项目（IUE-CERAE-202403）等项目的支持。

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论文链接：DOI: 10.1016/j.seppur.2024.131378

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