受蕨类植物叶片结构启发的分层超润湿膜结合光热电催化效应，能够高效净化复杂的航空燃料污染物

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Fern leaf-inspired hierarchical superwetting membrane with photothermal-electrocatalytic synergy enables high-efficiency purification of complex aviation fuel contaminants

　　

张英康|兰玉香|尹佐珠|薛明山|彭乐|杨英平|马永村|洪珍|谢婵|罗一丹

南昌航空大学材料科学与工程学院，中国南昌，330063

摘要

由水、可溶性有机污染物和杂质引起的航空发动机燃料污染会严重损害发动机的运行稳定性，缩短其使用寿命，甚至引发灾难性的飞行事故，对航空安全构成严重威胁。本文报道了一种受蕨类植物叶片启发的分层多孔超疏水/超亲油纳米复合过滤器（WFC），该过滤器具备防污自清洁、高效光热转换和电催化降解功能，专为航空发动机燃料系统中的多组分污染物去除而设计。WFC过滤器通过水热合成Fe-Co层状双氢氧化物（Fe-Co-LDH）纳米片制备，然后在编织织物基底上喷涂由多壁碳纳米管（MWCNTs）、聚氨酯（PU）粘合剂和全氟硅烷（POTS）低表面能修饰剂组成的功能涂层制成。制备的WFC过滤器表现出优异的超疏水性，水接触角（WCA）为161.2°，能够在多种油水系统中实现超高的油水分离效率（>96.5%）。得益于Fe-Co-LDH纳米片和MWCNTs的协同效应，WFC过滤器在模拟红外辐射下具有快速的温度响应和高效的光热转换性能，并通过自由基氧化途径对有机污染物表现出出色的电催化降解性能。此外，WFC过滤器在模拟航空发动机燃料箱条件下（包括机械磨损、循环弯曲、静压加载、热老化和化学腐蚀）仍能保持优异的物理化学稳定性，即使经过50次分离循环后仍能保持性能不受衰减。这项工作实现了仿生设计、多组分材料集成和先进航空燃料净化的结合，为制造高性能多功能过滤器提供了一种通用且可扩展的策略，在航空发动机燃料净化和其他极端航空航天相关分离领域具有广泛的应用前景。

引言

航空发动机是飞机的核心动力单元，其运行可靠性和使用寿命直接取决于航空燃料的纯度[1]、[2]、[3]。作为航空发动机的“血液”，航空燃料在生产、运输、储存和使用过程中极易受到液态水、可溶性有机污染物和固体颗粒的污染[4]、[5]、[6]、[7]。水污染会导致燃料系统腐蚀、低温结冰和燃烧效率降低；有机污染物和固体颗粒容易堵塞过滤元件，并加剧燃油喷嘴和涡轮叶片等精密部件的磨损。这些问题将严重威胁发动机的稳定性，甚至导致灾难性飞行事故[8]、[9]、[10]、[11]。ASTM D1655标准将游离水分限制在30 ppm以内，颗粒物限制在1 mg/L以内[12]，但实际污染程度往往超过这些标准，导致过滤器堵塞和燃烧不稳定。这凸显了需要能够在极端条件下（例如-40°C至120°C、1.2 MPa、500 Hz）可靠运行的先进过滤材料的需求。随着航空技术的不断发展，航空发动机的工作环境变得越来越恶劣，迫切需要高效、多功能且稳定的燃料净化材料，以适应燃料箱内的高温（高达120°C）、高压（0.3–1.2 MPa）和强振动（5–500 Hz）条件[13]、[14]、[15]、[16]。

油水分离和过滤技术是解决航空燃料污染的关键，而传统的离心分离和常规膜过滤技术存在能耗高、适应封闭高压环境能力差以及单一净化功能等固有局限性[17]、[18]、[19]、[20]。近年来，受自然生物启发的超疏水表面材料成为选择性油水分离的研究热点[21]、[22]、[23]、[24]。然而，大多数现有研究仅关注大气开放环境下的性能优化，无法满足航空发动机燃料箱这种封闭且多物理场耦合的特殊要求[25]、[26]、[27]、[28]。一个被忽视的关键点是，燃料箱及其周围组件在发动机运行过程中会产生大量废热和红外辐射[29]、[30]、[31]、[32]。如果能有效将这些能量资源整合到过滤过程中，有望实现低能耗甚至自驱动的性能提升，例如通过光热效应降低高粘度燃料的过滤阻力[33]、[34]、[35]、[36]。

层状双氢氧化物（LDHs）是一类二维层状纳米材料，通用化学式为[M_1?x²⁺M_x³⁺(OH)₂]^x+(A^n?)_x/n?mH₂O，其中M²⁺和M³⁺表示二价和三价金属阳离子，A^n?表示层间阴离子。作为典型的LDH材料，Fe-Co-LDH具有独特的花状多孔结构、优异的电催化活性和良好的化学稳定性，已广泛应用于污染物降解和能量存储领域。多壁碳纳米管（MWCNTs）具有出色的光热转换效率、高机械强度和良好的导电性，可以有效提升复合材料的电热性能和结构稳定性。聚氨酯（PU）具有优异的柔韧性和粘附性，在增强功能填料与基底之间的结合力方面起着关键作用，全氟硅烷（POTS）可以在材料表面引入低表面能基团，赋予复合材料稳定的超疏水性。通过将这些组分与低表面能修饰剂和强韧的聚合物粘合剂结合，有望开发出集超润湿性、光热自清洁和电催化降解于一体的多功能过滤系统。

基于此背景，本文的核心科学问题可以归纳为：如何合理设计和制造一种集超润湿性、光热自清洁和电催化降解于一体的分层多功能过滤器，并在恶劣的模拟航空发动机燃料系统条件下保持性能不受衰减？解决这一问题需要综合考虑仿生结构设计、多组分材料组装、界面性质调控和稳定性工程。

本文报道了一种受生物启发的分层多孔超疏水/超亲油纳米复合过滤器（简称WFC），用于航空发动机燃料的多组分净化。该设计概念上借鉴了蕨类植物叶片的多尺度孔隙结构和自清洁特性。过滤器通过两步简单工艺制备：首先水热合成Fe-Co-LDH纳米片，然后喷涂由MWCNTs、聚氨酯粘合剂和全氟硅烷修饰剂组成的功能涂层。优化的分层结构使过滤器的接触角达到161.2°，油水分离效率超过96.5%。得益于Fe-Co-LDH和MWCNTs的协同效应，WFC在120分钟内对亚甲蓝的降解效率达到99.4%，并在机械磨损、循环弯曲、静压、热老化和化学腐蚀（pH 2-12）条件下表现出优异的物理化学稳定性，即使经过50次分离循环后仍能保持稳定性能。这项工作为构建多功能分离材料提供了一种通用且可扩展的策略，在航空发动机燃料净化和其他极端航空航天相关分离领域具有广阔的应用前景。

部分摘录

材料

编织织物基底（聚酯，厚度：0.3 mm，孔径：5-10 μm）购自山东兴兆材料科技有限公司。六水合氯化钴（CoCl?·6H?O，纯度>98%）和六水合氯化铁（FeCl?·6H?O，纯度>98%）购自南京试剂有限公司。尿素（CO(NH?)?，纯度>99%）、多壁碳纳米管（MWCNTs，直径：10-20 nm，长度：5-10 μm，纯度>98%）、1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（POTS，纯度>97%）等材料也用于制备。

WFC的制备与应用

WFC的制备和应用过程如图1所示，图1a展示了Fe-Co-LDH/MWCNTs层与编织织物的结合形成了能够过滤油分的结构。图1b展示了蕨类植物叶片表面的分层微观结构，该结构具有天然的超疏水性。尽管具体拓扑特征有所不同，WFC过滤器模仿了蕨类叶片的功能原理——构建了一种

结论

总之，受蕨类植物叶片分层微观结构的启发，我们通过水热合成和喷涂固化技术成功制备了用于航空燃料净化的WFC复合过滤器。WFC过滤器集成了Fe-Co-LDH纳米片、MWCNTs、PU和POTS涂层，形成了稳定的超疏水/超亲油分层多孔结构。该复合材料表现出优异的性能，包括超高的油水分离效率（>96.5%）

符合伦理标准

无

CRediT作者贡献声明

杨英平：方法论、数据管理。彭乐：资源获取、方法论。兰玉香：资源获取、方法论。张英康：方法论、数据管理。薛明山：资源获取、方法论。尹佐珠：写作-审稿与编辑、数据管理。谢婵：资源获取、方法论。洪珍：资源获取、方法论。罗一丹：资源获取、方法论。马永村：资源获取、方法论。

利益冲突

作者声明没有竞争性财务利益。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（12264030, 62304096）、江西省自然科学基金（20232BAB211018）、江西省学术技术领军人才计划（20243BCE51057）以及江西省重点研发计划（20212BBE51021）的支持。

作者声明没有已知的竞争性财务利益或可能影响研究结果的个人关系