ACS AMI┃Janus纳米纤维膜用于PM过滤，挥发性有机化合物吸附以及定向水转移

英文原题：Directional Water Transfer Janus Nanofibrous Porous Membranes for Particulate Matter Filtration and Volatile Organic Compound Adsorption

通讯作者：刘育，南开大学

作者：Wenshi Xu, Yong Chen, and Yu Liu

空气污染可能诱发或加重多种疾病，例如呼吸道疾病，心血管疾病，甚至是癌症，对人类健康产生严重威胁。为了减少空气污染对人的危害，优质的个人防护材料受到越来越多的关注。大气中的主要污染物包括颗粒物（PM）和挥发性有机化合物（VOC）。因此，研究同时过滤PM和VOC的多功能材料具有重要的意义。另一方面，大多数商业口罩由疏水材料制成，当温度较低时，呼出气体中的水蒸气会在口罩内侧凝结成小水滴。亲水性材料可以快速吸收水滴，但水仍保留在材料上。因此，疏水性和亲水性材料都会引起令人不舒服的潮湿感。口罩的舒适度也是一个重要方面，应引起更多的重视。因此，迫切需要一种能够将呼出的水蒸气或水滴定向转移至外侧的口罩材料。

为了解决上述问题，南开大学刘育教授团队利用静电纺丝技术开发了三种Janus纳米纤维多孔膜。这三种Janus膜的亲水侧均为包含50％ β-环糊精的聚丙烯腈（PAN）纳米纤维，而疏水侧分别为11％聚己内酯（PCL）/疏水性氧化锌（ZnO）、11％聚己内酯/ 2％聚己内酯和从商业口罩中间剥离的疏水层。疏水层掺杂疏水氧化锌或2％PCL是为了增加疏水侧的粗糙度从而增强其疏水性。当用作口罩时，Janus膜的疏水侧贴近面部，亲水侧朝外。人体呼出的水蒸气或凝结的水滴可以被定向转移到口罩的外部，以减少潮湿的不适感。同时，含有PAN和β-环糊精的亲水层可以有效拦截PM和VOC（图1）。此外，电纺技术可纺物质种类繁多，所得纳米纤维膜纤维直径小均一性好，孔隙率高，重量轻，与普通滤膜相比，相同过滤效果下的透气性更高。

图1. 静电纺丝技术制备Janus纳米纤维膜的示意图及其在PM、VOC过滤和定向输水中的应用

如图2所示，三种Janus膜的正反侧对水显示出明显相反的润湿性。PAN /β-CD/ PCL / ZnO亲水侧和疏水侧的水接触角分别为24.6°和125.6°，PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL亲水侧和疏水侧的接触角分别为17.4°和118.1°， PAN /β-CD/mask亲水侧和疏水侧的接触角分别为41.7°和133.1°。从显微镜下的光学图像和手机拍摄的照片也可以观察到Janus膜两侧的润湿性差异。

图2. PAN/β-CD/PCL/ZnO, PAN/β-CD/11%PCL/2%PCL和PAN/β-CD/mask正反面具有相反的润湿性

各向异性的Janus膜具有出色的水单向渗透性能（图3）。为了更清晰直观地观察Janus膜的单向渗透性，作者使用乙基紫染色的水代替水。以PAN/β-CD/11%PCL/2%PCL膜为例，将水滴滴在PCL侧，乙基紫染色的水可以在低静水压力下从疏水11%PCL/2%PCL侧渗透到亲水PAN/β-CD侧，并且不会在疏水层中扩散。而将水滴滴在PAN侧，水在PAN亲水层上扩散无法穿透Janus膜；即使在高静水压力下，5 mL水也不能从PAN侧通过Janus膜。由于静电纺丝过程中的静电相互作用，亲水性PAN层和疏水性PCL层在应用过程中不会彼此脱离。

图3. PAN/β-CD/PCL/ZnO, PAN/β-CD/11%PCL/2%PCL和PAN/β-CD/mask Janus膜水单向渗透性能

PM过滤实验是在雾霾天气中进行的，带有PM的空气流从亲水PAN侧通过Janus膜，三种Janus膜均能有效捕获PM（图4）。如图4a-c所示，PM暴露4 h后，许多具有不同尺寸的PM颗粒粘附在亲水性PAN纳米纤维的表面，而在疏水侧未观察到PM，这表明Janus膜可以有效拦截PM。使用手持式CPC3007，SMPS仪器检测通过Janus膜前后PM的浓度和尺寸分布。三种Janus膜均显示出较高的PM过滤效率，PAN /β-CD/ PCL / ZnO，PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL和PAN /β-CD/ mask的PM过滤效率分别为99.99％、99.98％和91.56％（图4d）。使用差压计来测量通过Janus膜前后的压差，如图4e所示，PAN /β-CD/ PCL / ZnO，PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL和PAN /β-CD/ mask的压降分别为156.5、165.1和15.2 Pa。表明，除了较高的PM过滤效率外，Janus膜同时拥有很好的透气性。图4f表明，Janus膜对各种尺寸的PM，甚至是超小尺寸的PM均有很好的过滤效果。

图4. PAN/β-CD/PCL/ZnO, PAN/β-CD/11%PCL/2%PCL和PAN/β-CD/mask Janus膜高效过滤PM

以PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL为例，利用¹H-NMR谱图通过将对应于苯胺和β-CD的特征化学位移的峰积分来计算苯胺和β-CD的摩尔比，从而确定苯胺的吸附量。计算得单位质量PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL的苯胺吸附量为449.8 mg / g。β-CD由于其相对疏水的空腔能够与苯胺形成包合物；另外，β-CD上有许多羟基，可以通过氢键吸附苯胺。所以β-CD在苯胺吸附中起到非常重要的作用。

图5. PAN/β-CD/11%PCL/2%PCL有效吸附苯胺

综上所述，本文通过静电纺丝制备了几种含环糊精的Janus纳米纤维多孔膜，该膜可以有效过滤空气中不同大小的PM，有效吸附VOC，并将呼出气体中的水定向到膜的外部，给面部提供干燥舒适的环境。另外，原料廉价易得，Janus膜呼吸阻力低等优势，使其在个人可穿戴空气净化器开发中具有巨大潜力。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，南开大学博士研究生许文师为文章的第一作者，刘育教授为通讯作者。

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Directional Water Transfer Janus Nanofibrous Porous Membranes for Particulate Matter Filtration and Volatile Organic Compound Adsorption

Wenshi Xu, Yong Chen, and Yu Liu*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.0c18526

Publication Date: January 8, 2021

Copyright©2020 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）