空气中颗粒污染物对生态环境及公共健康构成严重威胁，发展高性能空气净化膜日益迫切。传统纳米纤维膜在高湿环境中表现不佳，表面易凝结液滴并堆积污染物，导致过滤性能下降、使用寿命缩短。近年来，具有不对称润湿性的Janus纳米纤维膜因其两侧具有相反的浸润性，展现出独特的定向液体传递特性，引起科研工作者的广泛关注。然而，不同浸润性膜层之间的分子链结构差异和弹性模量失配，导致界面结合力不足，在动态工况下易出现层间剥离或开裂，严重影响其长期稳定性。
近日，常州大学朱肖博士、赵晓燕教授和南京工业大学仲兆祥教授在期刊《Journal of Membrane Science》上，发表了最新研究成果“One-Step Fabrication of a Single-Layer Janus PAN Nanofiber Membrane for Enhanced Air Filtration Performance in High-humidity Environments”。该研究通过简便的一步共静电纺丝策略，成功制备出一种新型的单层Janus聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜。该技术将疏水性F-TiO2/PAN与亲水性TA/PAN纺丝液依次注入同一注射器中（图1），两溶液界面处发生自发分子扩散与链段缠结，形成从疏水到亲水的无缝过渡结构。这一创新设计从根本上避免了传统多层Janus膜常见的界面分层问题，赋予膜材料优异的结构完整性。该单层Janus膜在渐进润湿性和梯度孔隙结构的协同作用下，实现了高效单向水分传输，其水汽透过率高达8.64 kg·m-2·d-1。在高湿环境（80% RH）下，该膜仍保持≥99.95%的过滤效率，且压降仅为241 Pa，展现出卓越的耐湿过滤性能。
图1 单层Janus PAN纳米纤维膜制备示意图。
通过SEM、EDS和LSM等表征证实了单层Janus PAN纳米纤维膜成功构建。SEM图像表明Janus PAN纳米纤维膜是从较粗的F-TiO2/PAN纳米纤维连续转换为更细的TA/PAN纳米纤维，形成了紧凑、连贯的单层纤维膜结构。EDS mapping检测到Ti元素（疏水侧）在整个厚度上显示出明显的不对称分布，与Janus结构吻合。荧光显微照片观察到红色（疏水区）和绿色信号（亲水区）之间存在部分重叠，表明纤维膜内部存在过渡区。该区域源于电纺过程中两聚合物溶液的相互扩散，实现了无缝衔接的纳米纤维结构，从而形成具有渐进润湿性的过渡层，引导水分定向传输。
图2 （a-c）单层Janus PAN纳米纤维膜的截面SEM和EDS图。（d-f）单层Janus PAN 纳米纤维膜截面的荧光显微照片。
通过评估动态WCA和液体突破压力，确定了Janus纳米纤维膜的最佳膜构型。以亲水和疏水纺丝溶液体积比为50:3（Janus PAN-3）的纳米纤维膜综合性能最优。可在4 s内完成水分运输，且亲水侧的突破压力为疏水侧的3.2倍，表现出高效的单向输水能力。此外，单层Janus PAN纳米纤维膜在高湿度环境下，其正向（从疏水侧到亲水侧）的WVTR高达8.64 kg·m-2·d-1。
图3 不同单层Janus PAN纳米纤维膜的动态接触角及不同侧液体突破压力。
图4 单层Janus PAN纳米纤维膜水蒸气透过率及测试后的相应膜状态。
热失重及机械性能测试表明，在PAN中添加TA不仅使纤维膜具备更强的亲水性，还使其热稳定及柔韧性性提升。单层Janus PAN纳米纤维膜的平均孔径为1.67 μm，介于TA/PAN（1.47 μm）和F-TiO2/PAN（2.35μm）膜，这表明孔径在厚度上的逐渐变化，从疏水侧过渡到亲水侧，形成梯度孔结构。此外，单层Janus PAN膜的气体渗透率为785 m3∙m-2∙h-1∙kPa-1，表明Janus膜保持了优异的透气性。
图5 不同膜的热重曲线、拉伸强度、孔径分布及气通量。
基于次，我们提出了单向输水机制（图6b）：水滴在疏水侧受到静水压力（FH）与反向拉普拉斯压力（FL）的共同作用。当FH大于FL后，水滴进入膜内；过渡区的毛细力（Fc1）与FH协同克服疏水屏障，而亲水区更强的毛细力（Fc2）则加速液滴迁移。反向传输时，过渡区与疏水区产生的反向拉普拉斯压力（FL1、FL2）远大于FH，阻止水滴进入疏水区，从而表现出高度的单向传输性。
图6 单层Janus PAN纳米纤维膜两侧水传输行为和单向水传输机制。
在低湿环境（RH=40%）中，单层Janus PAN 纳米纤维膜的初始压降仅为93 Pa，2小时后仅升至131 Pa，远低于亲水TA/PAN膜（从118 Pa升至411 Pa）。这得益于其梯度孔径结构：表面较大孔径延缓了污染物堆积，而内部逐步细化实现了PM的高效分级捕获，使过滤效率高达≥99.98%，优于对比样品。在高湿环境（RH=80%）下，亲水TA/PAN膜因孔隙阻塞导致压阻急剧上升（130 Pa到724 Pa），性能显著恶化。而单层Janus PAN纳米纤维膜凭借优异的单向导湿能力，使膜过滤面保持相对干燥，2小时后仍维持99.95%的过滤效率和241 Pa的低压降。
图7 单层Janus PAN纳米纤维膜在高湿环境下的空气净化性能。
这项工作为构建高性能Janus纳米纤维膜提供了一种可扩展且通用的方法，为下一代空气过滤膜材料建立了通用的设计原则，提高了结构稳定性和耐用性。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2025.124927
人物简介：
朱肖，常州大学石油化工学院，博士，硕士研究生导师。主要从事纳米纤维膜材料的设计制备、功能化改性及其在空气净化领域的应用。主持国家自然科学基金青年基金（C类）、江苏省自然科学基金青年基金、常州市领军型创新人才引进培育项目等多项课题。累计发表SCI论文10余篇，其中以第一作者身份在Journal of Membrane Science、Separation and Purification Technology等期刊发表论文5篇。
赵晓燕，常州大学石油化工学院教授，硕士研究生导师。主要从事静电纺微纳米纤维的可控制备及其功能化研究。研究成果获得石油和化工自动化行业科学技术青年奖，中国化工学会科学技术奖二等奖等奖励。在Chemical Engineering Journal，ACS Applied Polymer Materials，Surfaces and Interfaces等期刊发表论文40余篇，授权专利20项。
仲兆祥，南京工业大学化工学院二级教授，博士生导师，南京工业大学学科建设处处长，国家杰出青年科学基金获得者。长期从事功能膜材料设计及其在气体净化、水处理等领域的应用研究。主持国家重点研发计划项目、国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金等20余项。发表SCI论文200余篇，第一发明人授权中国发明专利30余项、国际专利4项，主持编写国家化工行业标准2项，出版气体净化膜专著一部。获国家科学技术进步二等奖（排名2）、江苏省科学技术一等奖（排名1）、中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖（排名1）、全国杰出工程师青年奖、2023年度青山科技奖等。开发的膜技术入选了国家十三五科技创新成就展。
