近年来，淡水资源短缺问题愈发严峻，严重威胁着人类生命健康与社会经济的可持续发展。大气中的水分约占地球淡水总量的10%，这使其成为极具潜力的新型淡水资源库，也为缓解水资源危机提供了切实有效的解决途径。作为大气集水的重要形式之一，雾水收集在解决水资源问题方面展示了巨大的应用潜力。高效的雾气收集过程，对材料性能有着严苛要求。材料不仅要具备强大的雾滴捕获能力，能够精准且大量地捕捉雾气中的微小水滴；还需拥有高效的水分传输与收集性能，确保捕获的水分能够迅速、顺畅地被传输与收集起来。然而，当前雾气收集材料多侧重于单一功能的构建以促进水分收集，尚未有效实现多个雾气收集过程的协同作用，从而限制了整体雾气收集效率。如何通过简便的制备工艺，构建能同步提升各项关键性能的高效雾水收集材料，仍是该领域亟待攻克的一大挑战。

近日，中国科学院城市环境研究所郑煜铭研究员团队在期刊《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“A Janus fibrous membrane with asymmetric wettability and surface potential for dual enhanced fog collection from the atmosphere”。论文第一作者为城市所博士研究生李晨曦，通讯作者为郑煜铭研究员和钟鹭斌副研究员。研究者采用了简单的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，以实现高效的雾气收集。

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，高压纺丝的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