隨著核能可持續發展需求日益迫切，高效捕獲核廢料中的揮發性放射性碘（如¹²⁹I、¹³¹I）成為關鍵挑戰。現有吸附材料難以兼顧高吸附容量與活性位點利用率——液態吸附劑因氣體分子擴散限制，活性位點利用率不足1%；固態多孔材料（如COFs、MOFs）雖利用率高，卻受限于孔體積飽和導致的低吸附容量（約327 mg/g）。開發兼具氣體滲透性、快速動力學和超高容量的新材料迫在眉睫。

江蘇大學魏巍副研究員、中國科學院蘇州納米所張學同研究員、盛智芝副研究員團隊創新提出“Kevlar氣凝膠納米限域液體纖維（KANLFs）”，通過旋轉噴射紡絲技術將碘反應性液體TEPA封裝于帶狀Kevlar氣凝膠纖維的納米孔道內（圖1）。該設計形成級聯微反應器結構，實現6837 mg/g的創紀錄碘吸附容量（60°C下），液體利用率達56.7%，遠超傳統液體吸附劑（<1%）。材料成功集成至商用3M防毒面具濾芯，在75°C下凈化因子（DF值）高達3025，滿足美國核廢氣處理標準，為核能安全提供顛覆性解決方案。

圖1 Kevlar氣凝膠納米限域液體纖維構建及碘捕獲機制示意圖 a) 通過旋轉噴射紡絲結合旋轉凝固浴制備帶狀氣凝膠纖維的流程； b) KANLFs設計：將TEPA功能液限域于單根纖維內，保留纖維間氣體通道； c) KANLF過濾器捕獲氣態碘，實現高吸附劑利用率、高容量和快速動力學。 

【技術原理與制造】

研究團隊采用改良的旋轉噴射紡絲工藝（圖2a）：將Kevlar納米纖維（KNF）分散體高速噴射至旋轉凝固浴中，動態氣液界面作用力使射流變形為帶狀凝膠纖維（圖2b）。經冷凍干燥后，獲得寬度60–80 μm、厚度12–16 μm的帶狀氣凝膠纖維（圖2d–h），比傳統濕法紡絲纖維尺寸減小76–88%。其介孔結構（孔徑15–25 nm）和256 m²/g比表面積（圖2f）為液體限域奠定基礎。

圖2 帶狀氣凝膠纖維的制備與表征 a) 旋轉噴射紡絲過程中凝膠纖維的實時圖像； b) 紡絲過程受力分析（上）及冷凍干燥后纖維形態（下）； c) 紡絲可行性參數圖（轉速與濃度關系）； d) 凝膠纖維與氣凝膠纖維的形態對比； e) 氣凝膠纖維SEM及元素分布圖； f) N?吸脫附曲線； g,h) 氣凝膠纖維寬度與厚度分布統計； i) 纖維簇宏觀形狀控制（圓形/方形濾膜及字母形狀）。 

【固液協同機制】

通過毛細作用將TEPA液體限域于單根纖維內（圖3a），氣流輔助去除纖維間殘留液，保留氣體滲透通道。原子力顯微鏡（AFM）證實纖維表面形成均一超薄液體層（平均厚度17.8 nm），固液界面粘附力達2.3 nN（圖3e–g）。分子動力學模擬揭示Kevlar分子（PPTA）與TEPA主要通過范德華力結合，界面能達0.124 eV/nm²（圖3h），賦予材料500°C內熱穩定性（圖3i）。

圖3 KANLFs中氣凝膠纖維與功能液相互作用 a) KANLFs制備流程； b) 氣凝膠纖維介孔內TEPA負載量曲線； c) 光學顯微鏡下TEPA浸潤纖維的實時觀測； d) TEPA負載前后的FTIR光譜； e,f) 飽和（e）與氣流處理非飽和（f）KANLFs的AFM形貌； g) 非飽和KANLFs的AFM力曲線（顯示液體厚度與粘附力）； h) Kevlar分子（PPTA）與TEPA的界面能計算； i) 不同TEPA含量KANLFs的熱重曲線。 

【性能驗證】

靜態吸附實驗顯示（圖4a–c），90 wt% TEPA負載量的KANLFs在60°C實現最優性能（6837 mg/g），動力學模型揭示其80%飽和容量的平均吸附速率（K??%）達443.2 mg/g/h。XPS與拉曼光譜證實碘捕獲機制：TEPA中心仲胺優先結合I?形成I??（結合能–21.55 kcal/mol），進一步聚合成I??（圖4f–g）。材料透氣性測試表明（圖4h），三層KANLF濾芯壓降低于2 kPa，滿足穿戴設備要求；在5% CO?共存環境下仍保持碘吸附優勢（圖4i）。

圖4 KANLFs碘捕獲性能與表征 a) 不同TEPA含量KANLFs的碘吸附容量； b) 不同溫度下吸附容量對比； c) 不同負載量KANLFs的吸附動力學曲線； d) 吸附前后的FTIR光譜； e) 拉曼光譜（與固態碘對比）； f) 吸附10小時后XPS譜； g) TEPA中胺基與I?/I??的DFT結合能計算； h) 氣流處理前后材料透氣性； i) I?/CO?競爭吸附實驗。 

【應用前景】

動態穿透實驗證明（圖5c），KANLFs在75°C、602 ppm碘濃度氣流中維持1320分鐘才穿透，DF值達3025。對比商用5% KI浸漬活性炭（圖5f），其吸附容量提升2.3倍。規模化驗證中（圖5e），KANLFs被制成3M濾芯組件，碘捕獲后呈現明顯褐變，直觀顯示高效吸附。該材料在容量、速率和利用率三維指標上超越現有先進材料（圖5g–i），為核廢料管理、空氣凈化和應急響應提供工業化路徑。

圖5 KANLFs脫附性能、動態吸附及對比 a) 碘脫附與回收機制示意圖； b) 不同溫度下脫附效率； c) 連續流穿透曲線； d) 不同吸附劑利用率與容量對比（1–9為文獻材料）； e) 3M濾芯集成（i–ii）及碘捕獲可視化（iii–v）； f) 3M濾芯中KANLFs與商用活性炭性能對比； g) 與先進材料的容量對比； h) 容量與吸附速率綜合評價； i) 與傳統工業吸附劑性能對比。

【未來展望】

本研究開創了“固液協同限域”新范式，通過納米級液體微區化同時激活液相反應活性與固相穩定性。KANLFs的成功研發不僅推動核能可持續發展，其級聯微反應器設計理念可拓展至CO?捕集、有毒氣體過濾等領域，為多相界面反應材料設計指明方向。