基于仙人掌毛状体仿生结构的Janus膜高效雾水收集：大规模制备与性能优化

本研究针对干旱地区淡水短缺问题，通过仿生仙人掌毛状体结构，采用两步单侧喷涂法构建具有不对称润湿性的Cu@APT@TiO2 Janus膜（JM-AT）。该膜通过亲水（HL）表面的棒状凹凸棒石（APT）纤维和TiO2纳米颗粒协同作用，实现9.74 g cm?2 h?1的高效雾水收集率，并展现优异的机械/化学稳定性，为可持续农业水保留策略提供新方案。

　　

全球淡水短缺问题日益严峻，尤其在干旱和半干旱地区，传统水资源获取方式面临巨大挑战。雾水作为占地球淡水10%的潜在资源，其高效收集技术成为研究热点。然而，现有雾水收集膜普遍存在制备工艺复杂、耐久性差等问题，难以满足实际需求。受自然界中沙漠甲虫背部和仙人掌刺等生物不对称润湿性结构的启发，研究人员开始探索仿生Janus膜的设计，但其大规模制备和稳定性仍是瓶颈。

为解决上述问题，辽宁省教育厅科研基金支持的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表论文，开发了一种基于仙人掌毛状体仿生结构的Janus雾水收集膜。该研究采用两步单侧喷涂法，将亲水性的凹凸棒石（APT）纳米棒和二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒喷涂到铜网表面，构建出具有不对称润湿性和微米级锥形通道的JM-AT膜。关键技术包括：1）通过铝磷酸盐（AP）无机粘合剂实现纳米颗粒的牢固附着；2）利用自制设备评估放大10倍的膜性能；3）通过接触角测量和扫描电镜（SEM）表征表面结构。

化学组成与形貌分析
JM-AT的亲水表面由非平行排列的APT纳米棒和TiO₂纳米球构成，形成类似仙人掌毛状体的分级结构。X射线衍射（XRD）证实APT和TiO₂的晶体结构完整，而X射线光电子能谱（XPS）显示表面富含羟基（-OH），显著提升润湿性。

雾水收集性能
得益于不对称润湿性和毛状体结构的协同效应，JM-AT展现出9.74 g cm^?2 h^?1的创纪录水收集率。毛细压力（P_C）驱动液滴快速定向传输，而紫外照射和磨损实验证明其稳定性优于传统膜材料。

机械与环境稳定性
AP粘合剂使纳米颗粒与铜网结合强度提升300%，经10次循环后性能无衰减。酸碱耐受测试表明，JM-AT在pH 2-12范围内保持功能完整性。

该研究通过仿生设计和简易喷涂工艺，实现了Janus膜的大规模制备，其高效、耐用的特性为干旱地区淡水供应提供了创新解决方案。JM-AT的工业化生产潜力及在农业保水领域的应用前景，标志着雾水收集技术向实际迈出关键一步。