DOI: 10.1021/acsami.0c08504

构建具有高通量和节能特性的理想的多孔膜以净化含亚微米级污染物，特别是病原微生物的水具有重大意义，但这仍然是一项巨大的挑战。在此，研究者展示了一种简便的方法，可通过非溶剂诱导的相分离来构建具有连续纤维素Voronoi-纳米网结构的新型膜。该方法通过控制溶剂-非溶剂相互扩散过程，使纤维素Voronoi-纳米网能够与电纺纳米纤维基材紧密结合。所得膜具有小孔径（0.23μm）、高孔隙率（90.7％）、良好的互连性和超薄的厚度（约600 nm，比常规微滤膜薄两个数量级）。结果显示，在极低的驱动压力下（≤20 kPa），所制备的膜可以有效地拦截亚微米颗粒（约0.3μm），具有出色的截留率（＞99.80％）和超高的渗透通量（最大8834 L m-2 h-1）。更重要的是，该膜具有显著的细菌抑制率，其对数减少值（LRV）为8.0（克服了以往LRV＜7的局限性）以及优异的防污功能。这种多功能膜的成功制备为开发下一代高性能分离材料提供了新的思路。

图1.（a）纤维素Voronoi-纳米网膜的制备过程示意图。（b）纤维素Voronoi-纳米网膜（在25℃下，由凝固浴制成的M-C8作为样品）的表面SEM图像。（c）再生前（脱脂棉）和再生后纤维素的XRD图谱。（d）纤维素Voronoi-纳米网膜（在25℃下，由凝固浴制成的M-C8作为样品）的横截面图像。（e）Voronoi-纳米网结构形成的示意图。

图2.在（a）10℃、（b）25℃、（c）40℃和（d）55℃（纤维素浓度为0.004wt％）下，由凝固浴制备的纤维素Voronoi-纳米网层的SEM图。（e）由相应的凝固浴制备的膜的孔径分布和（f）孔隙率。（g）在不同温度（a.10℃，b.25℃，c.40℃和d.55℃）下，由凝固浴制备的再生纤维素的XRD图谱。（h）由相应的凝固浴制备的膜的拉伸应力-应变曲线。

图3.由浓度为（a）0.002wt％、（b）0.004wt％、（c）0.008wt％和（d）0.016wt％的稀纤维素溶液制备的纤维素Voronoi-纳米网层的SEM图像。（e）纤维素-DMAc/LiCl-水系统的示意性相图，显示了不同浓度纤维素溶液的组成路径。（f）不同浓度纤维素溶液的粘度。示意图说明了（g）孤立、（h）缠结和（i）高度缠结的纤维素链与Voronoi-纳米网结构之间的关系。（j）由不同浓度纤维素溶液制备的膜的孔径分布、（k）孔隙率和（l）拉伸应力-应变曲线。

图4.（a）在测试时间内膜的纯水通量，外部驱动压力为5 kPa。（b）截留率（插图为微滤后M-C8的SEM图像），以及（c）由不同浓度纤维素溶液制备的膜的渗透通量（驱动压力5 kPa）。（d）3D模型显示水流穿过不同结构的膜的压力场。（e）在不同的外部驱动压力下，M-C8的渗透通量和截留率。（f）比较Voronoi-纳米网纤维素膜和当前微滤膜之间的相对渗透通量和驱动压力。（g）在5 kPa的驱动力下M-C8的循环过滤性能。（h）错流过滤过程中M-C8的渗透通量和截留效率。

图5.（a）M-C8、PA66 NFM和Millipore GSWP对大肠杆菌的渗透通量和LRV。（b）过滤大肠杆菌后（低细菌浓度）M-C8的SEM图像。（c）与大肠杆菌孵育后，PA66 NFM（左）和M-C8（右）的SG染色荧光图像。（d）纤维素Voronoi-纳米网膜的防污机理示意图。（e）M-C8的LRV与含大肠杆菌水的过滤量的函数关系（插图是使用注射器过滤器过滤大肠杆菌混合物的照片）。（f）选定的微滤膜的LRV和渗透通量。