动态可逆界面Janus膜(FePP)在太阳能驱动水处理中的突破性应用：高效脱盐与抗盐结晶新策略

为解决传统太阳能界面蒸发器长期运行中盐结晶堵塞和热质传递效率低下的难题，Tianxin Lu团队创新设计出具有动态可逆蒸发界面的Janus膜(FePP)。该膜通过顶部FeP层的温敏性(3O4/PNIPAM)与底部PA56层的超亲水性协同作用，实现蒸发界面随光照条件动态切换，在1 kW m-2辐照下达到1.48±0.05 kg m-2h-1蒸发速率（较对照组提升2.6倍），并展现卓越的长期抗盐性能。该研究为可持续水处理技术提供了新范式。

　　

全球水资源危机正以前所未有的速度加剧，世界卫生组织数据显示约20亿人饮用受污染水源，而工业活动消耗了全球20%的淡水资源。传统海水淡化技术如反渗透(RO)虽能缓解危机，但依赖化石能源且碳排放高。太阳能界面蒸发技术因其零碳排特性成为研究热点，然而现有蒸发器面临根本性矛盾——疏水表面导致热质传递效率低下，亲水表面又易被盐结晶堵塞。

《npj Clean Water》最新研究报道了Tianxin Lu团队开发的革命性解决方案。研究者通过双层静电纺丝技术构建Janus膜(FePP)：底层为生物基聚酰胺56(PA56)超亲水纳米纤维（直径128±9.0 nm），顶层为温敏性PNIPAM/Fe₃O₄复合层（相变温度34.5°C）。这种独特设计使蒸发界面能动态响应光照条件——黑暗环境中界面位于亲水顶部，光照时Fe₃O₄纳米颗粒光热效应使顶层转为超疏水（接触角138°@45.6°C），界面回撤至双层中间。这种"智能切换"机制既避免了传统Janus膜盐结晶侵入问题，又解决了热质传递瓶颈。

关键技术包括：1）静电纺丝制备PA56纳米纤维基底与PNIPAM/Fe₃O₄功能层；2）XPS、FT-IR、Raman等多尺度表征确认材料化学结构；3）接触角测试验证温敏润湿性转变；4）室内外蒸发性能测试系统（含热成像分析）；5）10天循环实验评估长期稳定性。

主要研究结果

1. 1.

   材料设计与表征

   SEM显示FePP具有清晰的双层结构（PA56层42.7±1.7 μm，FeP层50.2±2.4 μm），EDS证实Fe元素仅分布于顶层。XPS检测到Fe₃O₄特征峰（Fe2p_3/2 709.88 eV），DSC验证PNIPAM相变温度（34.2°C）与润湿性转变完美匹配。

1. 1.

   动态界面机制

   接触角测试揭示顶层润湿性随温度剧变：25°C时为0°（超亲水），34.5°C突变为119°，45.6°C达138°。这种转变使蒸发界面能动态调整位置，黑暗时位于顶部（超亲水态），光照时回撤至中间（超疏水态）。

2. 2.

   蒸发性能突破

   在1 kW m^-2辐照下，FePP蒸发速率达1.48±0.05 kg m^-2h^-1（效率89%），是对照组（纯水界面）的2.6倍。热成像显示FePP表面温度可达50.6°C，显著高于纯水界面（35°C）。

3. 3.

   卓越的抗盐性能

   在3.5wt% NaCl溶液中连续运行480分钟仍保持1.18±0.12 kg m^-2h^-1蒸发速率。10天户外测试中，每日最大蒸发速率稳定在1.52-1.57 kg m^-2h^-1，表面温度达67.2°C。盐结晶在夜间亲水态时被完全溶解（3分钟内），解决了传统Janus膜盐堵塞难题。

结论与展望

该研究开创性地将动态界面调控理念引入太阳能蒸发领域，通过FePP膜的智能润湿性转换，同时攻克了盐结晶堆积与热质传递效率低下两大难题。其核心创新在于：1）利用PNIPAM温敏性实现界面位置动态调节；2）Fe₃O₄纳米颗粒增强光热转换；3）PA56纳米纤维保障快速输水。相比静态Janus膜，FePP在20wt%高盐环境下仍保持1.27±0.09 kg m^-2h^-1蒸发速率，且制备成本仅$0.088/cm²，具有显著商业化潜力。这项技术为海水淡化、工业废水处理等领域提供了可持续解决方案，其动态界面设计理念也可拓展至其他相变传质系统。