空气中病原体及污染物的控制通常需要多种膜材料协同作用，每种膜分别专注于高效气溶胶过滤、湿度调节或抗菌防护。将所有这些功能集成到单一膜材料中具有显著优势，但由于材料不相容性及不可避免的性能权衡问题，这一目标在本质上仍面临巨大挑战。

基于此，南京工业大学刘泽贤教授、仲兆祥教授团队提出一种通过顺序静电纺丝技术制备的光活性 Janus 纳米纤维膜，可实现高效空气净化。该不对称膜具有仿生结构特征：一侧为亲水生物聚合物基质，内部嵌入氮掺杂碳量子点（N-CQDs），并形成仿仙人掌刺与花粉的微观结构；另一侧为疏水微通道。这种结构共同构建了界面化学梯度，能够驱动水的单向传输。

该纳米纤维膜通过量子限制电荷极化效应，同时实现了尺寸排阻筛分与静电捕获功能，对 PM0.3气溶胶的截留率超过 99.59%。在紫外光激活下，N-CQDs 可产生可调谐的活性氧物种，实现无接触式病原体灭活；水介导的微生物细胞膜去稳定作用进一步增强了这一效果，在 30 分钟内对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均实现了 6 个数量级（99.9999%）的杀灭率。

该膜展现出优异的运行耐久性：经过 10 个工作循环后，仍能保持 98.5% 的过滤效率，其性能优于易受水分诱导降解的传统膜材料。本研究为先进多功能空气净化膜提供了一个通用平台，可广泛应用于生物医学隔离服、智能通风系统及可重复使用呼吸防护装置等领域。相关研究成果以“Multifunctional Photoactive Janus Nanofibrous Membranes for Unidirectional Water Transport and Remediation of Airborne Pathogens and Pollutants”为题目，发表在期刊《ACS Nano》上。

图1 (A) N-CQDs和非对称润湿性Janus膜的制备工艺示意图。(B)协同空气净化和抗菌性能的机理说明。

图2 (A)不同摩尔比下的N-CQDs溶液在365 nm紫外线照射下的数字图像。(B)不同激发波长下摩尔比为1:2的N-CQDs水溶液的PL光谱。(C) N-CQDs水溶液在不同激发波长下，摩尔比分别为1:0.5、1:1、1:2、1:4和1:8时的紫外可见吸收光谱。(D) N-CQD的TEM图像（插图：单个N-CQD的HRTEM图像）。(E) N-CQDs的XRD图谱。(F)合成N-CQDs的FT-IR光谱。(G) c15、(h) N个1s和 (i) 0个1s的高分辨率XPS光谱

图 3. （A）大肠杆菌（E. coli）和（B）金黄色葡萄球菌（S. aureus）在不同浓度氮掺杂碳量子点（N-CQDs）处理下，于无紫外光（UV (−)，黑暗环境）和有紫外光（UV (+)，365 nm 光照）条件下的存活数量定量结果。N-CQDs 对（C）大肠杆菌和（D）金黄色葡萄球菌的抗菌效果。（E）代表性细菌菌落图像，展示 N-CQDs 在有无光激活条件下处理的效果差异。（F）N-CQDs 在无紫外光和有紫外光照射下，用于检测羟基自由基（・OH）和超氧阴离子自由基（・O₂⁻）的电子自旋共振（ESR）光谱。（G）紫外光（UV (+)）照射下 N-CQDs 抗菌机制的示意图。

图 4. （A）（A1）PG、（A2）PG-N5、（A3）PG-N10、（A4）PG-N15 和（A5）PG-N20 纳米纤维膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。（B）纤维直径分布、（C）傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、（D）应力 - 应变曲线、（E）孔径、（F）气体渗透率、（G）水接触角以及（H）PG、PG-N5、PG-N10、PG-N15 和 PG-N20 纳米纤维膜的附着力。

图 5.（A、B）在紫外光照射下，使用 1% 荧光素钠标记的液滴，通过聚偏氟乙烯 / PG-N20（PVDF/PG-N20）膜实现反重力定向输水的示意图与荧光图像：（A）染料液滴从疏水 PVDF 侧向亲水 PG-N20 侧渗透排出；（B）染料液滴从亲水侧向疏水侧尝试渗透排出的过程。（C、D）水滴分别滴落在 PVDF/PG-N20 膜（C）PVDF 侧和（D）PG-N20 侧时，水滴所受实时力随距离变化的关系曲线。（E）PVDF/PG-N20 膜的水蒸气透过率（WVTR）。（F）具有不对称润湿性的 PVDF/PG-N20 膜中，拟议的输水机制示意图。

图 6.（A）聚偏氟乙烯 / PG-N20（PVDF/PG-N20）膜对大肠杆菌（E. coli）的抗菌效果、（B）平板计数结果及（C）活菌 / 死菌荧光染色图像。（D）小鼠成纤维细胞（L929 细胞）和（E）马 - 达比犬肾细胞（MDCK 细胞）与不同浓度氮掺杂碳量子点（N-CQDs）共培养 24 小时后的细胞活力评估。（F）L929 细胞和（G）MDCK 细胞与不同浓度 PVDF/PG 膜及 PVDF/PG-N20 膜共培养 24 小时后的细胞活力评估。（H）MDCK 细胞与 H₁N₁病毒混合培养体系，经 PVDF/PG 膜或 PVDF/PG-N20 膜处理 24 小时后的形态学评估。（I）24 小时培养过程中，PVDF/PG 膜与 PVDF/PG-N20 膜对 MDCK/H₁N₁感染细胞体系的抑制强度。所有实验均在黑暗环境和紫外光照射（10 分钟，365 纳米）两种条件下进行。

图 7.（A）聚偏氟乙烯 / 聚乙烯醇 - 明胶（PVDF/PG）膜与聚偏氟乙烯 / PG-N20（PVDF/PG-N20）膜的孔径分布、（B）空气渗透率、（C）压降、（D）颗粒物（PM）过滤效率及（E）品质因数。（F）PVDF/PG-N20 膜经过 10 次热处理循环后的过滤效率、压降与品质因数（Qf）。（G）PVDF/PG-N20 膜经过 10 次热处理循环后对大肠杆菌（E. coli）的抗菌效果，以及（H）对应的平板计数图像。（I）PVDF/PG-N20 膜经过 10 次热处理循环后的光致发光（PL）光谱。

研究结论

成功制备出集成不对称润湿性、N-CQDs 光催化活性的 PVDF/PG-N20 Janus 纳米纤维膜，通过顺序静电纺丝与热交联工艺，实现了高效 PM 过滤（PM₀.₃效率 99.59%）、单向输水（WVTR 10.12±0.45kg・m⁻²・d⁻¹）、广谱抗菌（30 分钟 6-log 杀灭）与抗病毒（UV 下 H1N1 抑制率 99%）功能的协同整合。

阐明了膜的核心作用机制：层级仿生结构与量子限制电荷极化增强 PM 捕获；亲水 - 疏水界面叠加毛细管压力驱动单向输水；N-CQDs 光催化产生 ROS 与材料表面相互作用协同实现高效抗菌抗病毒；且膜在高湿环境（RH<80%）与循环使用中性能稳定，机械强度与生物相容性良好。

对比现有空气过滤材料，该膜突破传统材料功能单一的局限，解决了高湿环境下性能衰减问题，品质因数、稳定性与多功能集成度均处于领先水平，为多功能空气净化膜的设计提供了 “材料 - 结构 - 性能” 协同优化的新思路。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c09592