在現(xiàn)代半導(dǎo)體制造、制藥潔凈室等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，對(duì)空氣中微粒和生物污染物的嚴(yán)格控制至關(guān)重要。然而，高濕度環(huán)境使傳統(tǒng)過(guò)濾膜面臨電荷衰減、微生物快速繁殖和孔隙堵塞三大挑戰(zhàn)，導(dǎo)致過(guò)濾效率下降、壽命縮短。目前，行業(yè)通常依賴(lài)多個(gè)功能單一的膜層組合，不僅復(fù)雜且存在材料兼容性問(wèn)題，亟需一種集成多功能的高性能空氣凈化材料。

南京工業(yè)大學(xué)劉澤賢教授、仲兆祥教授合作成功開(kāi)發(fā)出一種光活性Janus納米纖維膜，通過(guò)順序靜電紡絲技術(shù)構(gòu)建具有不對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕性的雙層結(jié)構(gòu)。該膜一面為嵌入氮摻雜碳量子點(diǎn)（N-CQDs）的親水層，另一面為疏水微通道層，仿生仙人掌刺與花粉結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單向水分傳輸、高效氣溶膠過(guò)濾和紫外激活下的病原體滅活。該膜對(duì)PM0.3的截留率超過(guò)99.59%，并在30分鐘內(nèi)對(duì)革蘭氏陽(yáng)性和陰性細(xì)菌實(shí)現(xiàn)6-log（99.9999%）滅活，同時(shí)具備優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，10次使用后仍保持98.5%的過(guò)濾效率。相關(guān)論文以“Multifunctional Photoactive Janus Nanofibrous Membranes for Unidirectional Water Transport and Remediation of Airborne Pathogens and Pollutants”為題，發(fā)表在ACS Nano上，論文第一作者為Rao Yuanyuan。

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)檸檬酸與尿素的固相熱解合成了N-CQDs，并系統(tǒng)優(yōu)化了其摩爾比例。當(dāng)比例為1:2時(shí)，N-CQDs表現(xiàn)出最強(qiáng)的綠色熒光和單指數(shù)熒光衰減行為，說(shuō)明其具有穩(wěn)定的激子行為和高效ROS生成能力。結(jié)構(gòu)表征顯示，N-CQDs粒徑為2–5 nm，具有石墨晶格和豐富的含氧、含氮官能團(tuán)，為其光催化活性提供了基礎(chǔ)。在抗菌實(shí)驗(yàn)中，N-CQDs在紫外光激活下5分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)99.99%的細(xì)菌滅活，其機(jī)制主要通過(guò)產(chǎn)生活性氧物種（ROS）引起氧化損傷。

圖1. （A）N-CQDs及具有不對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕性的Janus膜的制備過(guò)程示意圖；（B）協(xié)同空氣凈化與抗菌性能機(jī)制示意圖。

圖2. （A）不同摩爾比的N-CQDs溶液在365 nm紫外光下的照片；（B）摩爾比為1:2的N-CQDs水溶液在不同激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光光譜；（C）不同摩爾比的N-CQDs水溶液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜；（D）N-CQDs的TEM圖像（插圖為高分辨TEM）；（E）XRD圖譜；（F）FT-IR光譜；（G）C 1s、（H）N 1s和（I）O 1s的高分辨XPS譜。

圖3. （A）大腸桿菌和（B）金黃色葡萄球菌在不同濃度N-CQDs處理下（黑暗與紫外光照）的存活率；（C）（D）對(duì)應(yīng)抗菌效率；（E）菌落照片；（F）ESR光譜檢測(cè)·OH和·O??自由基；（G）N-CQDs在紫外光下的抗菌機(jī)制示意圖。

隨后，團(tuán)隊(duì)通過(guò)順序靜電紡絲制備了PVDF疏水層和N-CQDs摻雜的PVA/GEL（PG-N）親水層組成的Janus膜。隨著N-CQDs負(fù)載量增加，纖維直徑逐漸增大，且在15%以上負(fù)載時(shí)出現(xiàn)片狀或花苞狀分級(jí)結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)了膜的機(jī)械強(qiáng)度和親水性。PG-N20膜（20% N-CQDs）表現(xiàn)出零度水接觸角和高粘附力，適合作為親水層用于構(gòu)建Janus結(jié)構(gòu)。

圖4. （A）PG、PG-N5、PG-N10、PG-N15和PG-N20納米纖維膜的SEM圖像；（B）纖維直徑分布；（C）FT-IR光譜；（D）應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；（E）孔徑分布；（F）氣體滲透率；（G）水接觸角；（H）粘附力。

在單向輸水行為研究中，該膜表現(xiàn)出明顯的方向性：水滴從疏水PVDF側(cè)能迅速滲透至親水PG-N20側(cè)，而反向則被有效阻擋。熒光示蹤和微力測(cè)量進(jìn)一步證實(shí)了其抗重力單向輸水能力。該行為由不對(duì)稱(chēng)毛細(xì)壓力驅(qū)動(dòng)，親水層產(chǎn)生正毛細(xì)壓力吸引水分，疏水層產(chǎn)生負(fù)壓力阻隔反向滲透。

圖5. （A）（B）熒光示蹤顯示PVDF/PG-N20膜在紫外下的單向輸水行為；（C）（D）水滴在膜兩側(cè)的實(shí)時(shí)受力曲線(xiàn)；（E）水蒸氣傳輸速率（WVTR）；（F）不對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕性下的水分傳輸機(jī)制示意圖。

此外，該膜還表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性和抗病毒性能。在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，N-CQDs和復(fù)合膜均未表現(xiàn)出明顯細(xì)胞毒性。針對(duì)H1N1病毒，PVDF/PG-N20膜在黑暗條件下即可實(shí)現(xiàn)91.2%的抑制率，紫外激活后提升至99%。其抗病毒機(jī)制包括靜電吸附、高效過(guò)濾和光催化滅活三者協(xié)同。

圖6. （A）抗菌效率；（B）菌落計(jì)數(shù)和（C）活/死染色熒光圖像；（D）（E）L929和MDCK細(xì)胞與N-CQDs共培養(yǎng)后的細(xì)胞活性；（F）（G）與膜共培養(yǎng)后的細(xì)胞活性；（H）MDCK細(xì)胞與H1N1病毒共培養(yǎng)后的形態(tài)；（I）病毒抑制率。

在過(guò)濾性能方面，PVDF/PG-N20膜對(duì)PM0.3的過(guò)濾效率達(dá)99.59%，且在高濕度環(huán)境下仍保持穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)10次熱循環(huán)后，其過(guò)濾效率仍保持在99.51%，抗菌活性超過(guò)99.9%，顯示出良好的耐用性和可重復(fù)使用性。CFD模擬表明，花苞狀結(jié)構(gòu)通過(guò)擾動(dòng)流場(chǎng)、增強(qiáng)布朗擴(kuò)散和范德華力，顯著提升了顆粒捕獲效率。

圖7. （A）孔徑分布；（B）空氣滲透率；（C）壓降；（D）PM過(guò)濾效率；（E）品質(zhì)因子；（F）10次熱循環(huán)后的過(guò)濾性能；（G）（H）循環(huán)后的抗菌性能與菌落圖像；（I）循環(huán)后的熒光光譜。

該研究成功構(gòu)建了一種具有多層次結(jié)構(gòu)的光活性Janus納米纖維膜，集成了定向水分管理、高效顆粒過(guò)濾和光驅(qū)動(dòng)抗菌抗病毒功能于一體，解決了高濕度環(huán)境下傳統(tǒng)過(guò)濾材料性能衰減的難題。該膜在生物醫(yī)學(xué)隔離服、智能通風(fēng)系統(tǒng)和可重復(fù)使用呼吸設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，為多功能空氣凈化材料的理性設(shè)計(jì)提供了新思路。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>