南工大ACS Nano：光活性Janus纳米纤维膜，实现高效空气净化与病原体灭活

摘要：在现代半导体制造、制药洁净室等高技术产业中，对空气中微粒和生物污染物的严格控制至关重要。然而，高湿度环境使传统过滤膜面临电荷衰减、微生物快速繁殖和孔隙堵塞三大挑战，导致过滤效率下降、寿命缩短。目前，行业通常依赖多个功能单一的膜层组合，不仅复杂且存在材料兼容性问

在现代半导体制造、制药洁净室等高技术产业中，对空气中微粒和生物污染物的严格控制至关重要。然而，高湿度环境使传统过滤膜面临电荷衰减、微生物快速繁殖和孔隙堵塞三大挑战，导致过滤效率下降、寿命缩短。目前，行业通常依赖多个功能单一的膜层组合，不仅复杂且存在材料兼容性问题，亟需一种集成多功能的高性能空气净化材料。

南京工业大学刘泽贤教授、仲兆祥教授合作成功开发出一种光活性Janus纳米纤维膜，通过顺序静电纺丝技术构建具有不对称润湿性的双层结构。该膜一面为嵌入氮掺杂碳量子点（N-CQDs）的亲水层，另一面为疏水微通道层，仿生仙人掌刺与花粉结构，实现单向水分传输、高效气溶胶过滤和紫外激活下的病原体灭活。该膜对PM0.3的截留率超过99.59%，并在30分钟内对革兰氏阳性和阴性细菌实现6-log（99.9999%）灭活，同时具备优异的循环稳定性，10次使用后仍保持98.5%的过滤效率。相关论文以“Multifunctional Photoactive Janus Nanofibrous Membranes for Unidirectional Water Transport and Remediation of Airborne Pathogens and Pollutants”为题，发表在ACS Nano上，论文第一作者为Rao Yuanyuan。

研究团队首先通过柠檬酸与尿素的固相热解合成了N-CQDs，并系统优化了其摩尔比例。当比例为1:2时，N-CQDs表现出最强的绿色荧光和单指数荧光衰减行为，说明其具有稳定的激子行为和高效ROS生成能力。结构表征显示，N-CQDs粒径为2–5 nm，具有石墨晶格和丰富的含氧、含氮官能团，为其光催化活性提供了基础。在抗菌实验中，N-CQDs在紫外光激活下5分钟内即可实现99.99%的细菌灭活，其机制主要通过产生活性氧物种（ROS）引起氧化损伤。

图1. （A）N-CQDs及具有不对称润湿性的Janus膜的制备过程示意图；（B）协同空气净化与抗菌性能机制示意图。

图2. （A）不同摩尔比的N-CQDs溶液在365 nm紫外光下的照片；（B）摩尔比为1:2的N-CQDs水溶液在不同激发波长下的荧光光谱；（C）不同摩尔比的N-CQDs水溶液的紫外-可见吸收光谱；（D）N-CQDs的TEM图像（插图为高分辨TEM）；（E）XRD图谱；（F）FT-IR光谱；（G）C 1s、（H）N 1s和（I）O 1s的高分辨XPS谱。

图3. （A）大肠杆菌和（B）金黄色葡萄球菌在不同浓度N-CQDs处理下（黑暗与紫外光照）的存活率；（C）（D）对应抗菌效率；（E）菌落照片；（F）ESR光谱检测·OH和·O₂⁻自由基；（G）N-CQDs在紫外光下的抗菌机制示意图。

随后，团队通过顺序静电纺丝制备了PVDF疏水层和N-CQDs掺杂的PVA/GEL（PG-N）亲水层组成的Janus膜。随着N-CQDs负载量增加，纤维直径逐渐增大，且在15%以上负载时出现片状或花苞状分级结构，显著增强了膜的机械强度和亲水性。PG-N20膜（20% N-CQDs）表现出零度水接触角和高粘附力，适合作为亲水层用于构建Janus结构。

图4. （A）PG、PG-N5、PG-N10、PG-N15和PG-N20纳米纤维膜的SEM图像；（B）纤维直径分布；（C）FT-IR光谱；（D）应力-应变曲线；（E）孔径分布；（F）气体渗透率；（G）水接触角；（H）粘附力。

在单向输水行为研究中，该膜表现出明显的方向性：水滴从疏水PVDF侧能迅速渗透至亲水PG-N20侧，而反向则被有效阻挡。荧光示踪和微力测量进一步证实了其抗重力单向输水能力。该行为由不对称毛细压力驱动，亲水层产生正毛细压力吸引水分，疏水层产生负压力阻隔反向渗透。

图5. （A）（B）荧光示踪显示PVDF/PG-N20膜在紫外下的单向输水行为；（C）（D）水滴在膜两侧的实时受力曲线；（E）水蒸气传输速率（WVTR）；（F）不对称润湿性下的水分传输机制示意图。

此外，该膜还表现出优异的生物相容性和抗病毒性能。在细胞实验中，N-CQDs和复合膜均未表现出明显细胞毒性。针对H1N1病毒，PVDF/PG-N20膜在黑暗条件下即可实现91.2%的抑制率，紫外激活后提升至99%。其抗病毒机制包括静电吸附、高效过滤和光催化灭活三者协同。

图6. （A）抗菌效率；（B）菌落计数和（C）活/死染色荧光图像；（D）（E）L929和MDCK细胞与N-CQDs共培养后的细胞活性；（F）（G）与膜共培养后的细胞活性；（H）MDCK细胞与H1N1病毒共培养后的形态；（I）病毒抑制率。

在过滤性能方面，PVDF/PG-N20膜对PM0.3的过滤效率达99.59%，且在高湿度环境下仍保持稳定。经过10次热循环后，其过滤效率仍保持在99.51%，抗菌活性超过99.9%，显示出良好的耐用性和可重复使用性。CFD模拟表明，花苞状结构通过扰动流场、增强布朗扩散和范德华力，显著提升了颗粒捕获效率。