近年来，全球淡水资源短缺问题持续加剧，为人类生存与社会经济可持续发展带来不利影响。大气水分储量约占地球淡水总量的10%，为开发新型淡水资源、缓解水资源危机提供了重要方向。其中，雾水收集作为大气水收集技术的重要分支，具有显著应用价值。高效雾水收集的实现依赖于材料的多重特性：既需具备优异的雾滴捕获能力，还需拥有快速输水与高效集水性能。然而，现有材料体系多聚焦单一功能优化，未能有效协同雾滴拦截、输运与收集等关键环节，限制了材料整体的雾气收集效率。如何通过简便可控的制备工艺，开发出同步提升各项关键性能的高效集雾材料，仍是一项艰巨的挑战。

近日，中国科学院城市环境研究所郑煜铭研究员团队利用顺序静电纺丝技术制备了具有不对称润湿性和表面电位的聚偏二氟乙烯-三氟乙烯／聚丙烯腈（PVDF-TrFE/PAN）Janus纤维膜，研究表明该纤维材料能够实现高效的雾气收集。相关成果以“A Janus fibrous membrane with asymmetric wettability and surface potential for dual enhanced fog collection from the atmosphere”为题目表发在知名期刊《Separation and Purification Technology》上。

通过纤维膜的双层结构间的不对称润湿性和微观结构的调控，实现了高效的Janus系统雾气收集的层间定向水传输过程及亲水层中水的脱附过程。此外，高压纺丝过程中膜表面形成的电荷对雾滴产生了额外的静电吸附作用，提升了疏水侧的雾滴捕集效率。所制备的Janus纤维膜对有效收集雾气所需的全连续流程均能发挥显著作用，从精准捕捉雾滴，到引导水分定向传输，再到最终脱附收集。基于上述设计，制备的Janus纤维膜具有优异的集水效率（高达1572 mg·cm-2·h-1）。不仅如此，该纤维膜的制造工艺简便易行，这为大气集水的材料设计开拓了全新思路，有望在实际应用中缓解水资源短缺危机。

图1 电纺Janus纤维膜的制备流程、截面SEM图像及雾水收集过程示意图

采用简单的顺序静电纺丝工艺，首先在接收器上沉积一层超亲水PAN纤维膜，而后在其上沉积一层疏水PVDF-TrFE纤维膜，两步获得了具有不对称润湿性和表面电势的Janus双层结构纤维膜。SEM图像进一步证实了所制备的电纺膜的双层结构，两层纤维直径有所差异，但却结合紧密在一起。这种独特的结构特性，对于基于不对称润湿性的层间水传输过程极为有利，能够高效地促进水分在两层之间的定向传输。

图2 疏水层结构对水传输性能及集水效率的影响

借助调控疏水层的微观结构，优化Janus纤维膜的水传输行为。结合杨-拉普拉斯方程进行分析，当疏水层具有较大孔径和适中的厚度时，通过构建较大的层间润湿性差异，能够实现最佳的层间定向水传输行为。

图3 亲水层对Janus双层纤维膜集水效率的影响

研究还发现通过增加亲水层的蓄水容量，能够提升Janus纤维膜的集水效率。随着蓄水容量的增加，Janus纤维膜的集水效率先逐渐上升而后趋于稳定。综合考虑集水效率和制备成本，选取了JM-7进行后续实验。此外，通过对亲水PAN纤维膜和疏水PVDF-TrFE膜的集水效率进行对比发现，Janus PVDF-TrFE／PAN双层纤维膜表现出更为优异的集水性能，这充分凸显了纤维膜双层结构设计的独特优势。

图4 静电吸附对纤维膜集水效率的影响

并且，当三种膜材料表面带有电荷时，集水效率均有显著提升。其中，Janus膜在去除表面电荷后，水收集效率反而更高，提升了27.3%。这主要是归因于表面电荷的存在会在膜表面与周围雾滴之间形成电势差，从而产生静电吸附作用，有效增强雾滴的捕获能力，进而提升集水性能。

综上所述，本研究利用两步顺序静电纺丝技术，直接制备了具有不对称润湿性和表面电势的Janus纤维膜。该纤维膜凭借优异的水滴捕获、层间水传输和亲水层水脱附性能，从而实现了较高的集水效率。该工作为应对淡水短缺问题提供了创新性的膜设计解决思路，有望在未来水资源领域发挥重要作用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.131378

（来源：易丝帮）