随着核能可持续发展需求日益迫切，高效捕获核废料中的挥发性放射性碘（如¹²⁹I、¹³¹I）成为关键挑战。现有吸附材料难以兼顾高吸附容量与活性位点利用率——液态吸附剂因气体分子扩散限制，活性位点利用率不足1%；固态多孔材料（如COFs、MOFs）虽利用率高，却受限于孔体积饱和导致的低吸附容量（约327 mg/g）。开发兼具气体渗透性、快速动力学和超高容量的新材料迫在眉睫。

江苏大学魏巍副研究员、中国科学院苏州纳米所张学同研究员、盛智芝副研究员团队创新提出“Kevlar气凝胶纳米限域液体纤维（KANLFs）”，通过旋转喷射纺丝技术将碘反应性液体TEPA封装于带状Kevlar气凝胶纤维的纳米孔道内（图1）。该设计形成级联微反应器结构，实现6837 mg/g的创纪录碘吸附容量（60°C下），液体利用率达56.7%，远超传统液体吸附剂（<1%）。材料成功集成至商用3M防毒面具滤芯，在75°C下净化因子（DF值）高达3025，满足美国核废气处理标准，为核能安全提供颠覆性解决方案。

图1 Kevlar气凝胶纳米限域液体纤维构建及碘捕获机制示意图 a) 通过旋转喷射纺丝结合旋转凝固浴制备带状气凝胶纤维的流程； b) KANLFs设计：将TEPA功能液限域于单根纤维内，保留纤维间气体通道； c) KANLF过滤器捕获气态碘，实现高吸附剂利用率、高容量和快速动力学。 

【技术原理与制造】

研究团队采用改良的旋转喷射纺丝工艺（图2a）：将Kevlar纳米纤维（KNF）分散体高速喷射至旋转凝固浴中，动态气液界面作用力使射流变形为带状凝胶纤维（图2b）。经冷冻干燥后，获得宽度60–80 μm、厚度12–16 μm的带状气凝胶纤维（图2d–h），比传统湿法纺丝纤维尺寸减小76–88%。其介孔结构（孔径15–25 nm）和256 m²/g比表面积（图2f）为液体限域奠定基础。

图2 带状气凝胶纤维的制备与表征 a) 旋转喷射纺丝过程中凝胶纤维的实时图像； b) 纺丝过程受力分析（上）及冷冻干燥后纤维形态（下）； c) 纺丝可行性参数图（转速与浓度关系）； d) 凝胶纤维与气凝胶纤维的形态对比； e) 气凝胶纤维SEM及元素分布图； f) N₂吸脱附曲线； g,h) 气凝胶纤维宽度与厚度分布统计； i) 纤维簇宏观形状控制（圆形/方形滤膜及字母形状）。 

【固液协同机制】

通过毛细作用将TEPA液体限域于单根纤维内（图3a），气流辅助去除纤维间残留液，保留气体渗透通道。原子力显微镜（AFM）证实纤维表面形成均一超薄液体层（平均厚度17.8 nm），固液界面粘附力达2.3 nN（图3e–g）。分子动力学模拟揭示Kevlar分子（PPTA）与TEPA主要通过范德华力结合，界面能达0.124 eV/nm²（图3h），赋予材料500°C内热稳定性（图3i）。

图3 KANLFs中气凝胶纤维与功能液相互作用 a) KANLFs制备流程； b) 气凝胶纤维介孔内TEPA负载量曲线； c) 光学显微镜下TEPA浸润纤维的实时观测； d) TEPA负载前后的FTIR光谱； e,f) 饱和（e）与气流处理非饱和（f）KANLFs的AFM形貌； g) 非饱和KANLFs的AFM力曲线（显示液体厚度与粘附力）； h) Kevlar分子（PPTA）与TEPA的界面能计算； i) 不同TEPA含量KANLFs的热重曲线。 

【性能验证】

静态吸附实验显示（图4a–c），90 wt% TEPA负载量的KANLFs在60°C实现最优性能（6837 mg/g），动力学模型揭示其80%饱和容量的平均吸附速率（K₈₀%）达443.2 mg/g/h。XPS与拉曼光谱证实碘捕获机制：TEPA中心仲胺优先结合I₂形成I₃⁻（结合能–21.55 kcal/mol），进一步聚合成I₅⁻（图4f–g）。材料透气性测试表明（图4h），三层KANLF滤芯压降低于2 kPa，满足穿戴设备要求；在5% CO₂共存环境下仍保持碘吸附优势（图4i）。

图4 KANLFs碘捕获性能与表征 a) 不同TEPA含量KANLFs的碘吸附容量； b) 不同温度下吸附容量对比； c) 不同负载量KANLFs的吸附动力学曲线； d) 吸附前后的FTIR光谱； e) 拉曼光谱（与固态碘对比）； f) 吸附10小时后XPS谱； g) TEPA中胺基与I₂/I₃⁻的DFT结合能计算； h) 气流处理前后材料透气性； i) I₂/CO₂竞争吸附实验。 

【应用前景】

动态穿透实验证明（图5c），KANLFs在75°C、602 ppm碘浓度气流中维持1320分钟才穿透，DF值达3025。对比商用5% KI浸渍活性炭（图5f），其吸附容量提升2.3倍。规模化验证中（图5e），KANLFs被制成3M滤芯组件，碘捕获后呈现明显褐变，直观显示高效吸附。该材料在容量、速率和利用率三维指标上超越现有先进材料（图5g–i），为核废料管理、空气净化和应急响应提供工业化路径。

图5 KANLFs脱附性能、动态吸附及对比 a) 碘脱附与回收机制示意图； b) 不同温度下脱附效率； c) 连续流穿透曲线； d) 不同吸附剂利用率与容量对比（1–9为文献材料）； e) 3M滤芯集成（i–ii）及碘捕获可视化（iii–v）； f) 3M滤芯中KANLFs与商用活性炭性能对比； g) 与先进材料的容量对比； h) 容量与吸附速率综合评价； i) 与传统工业吸附剂性能对比。

【未来展望】

本研究开创了“固液协同限域”新范式，通过纳米级液体微区化同时激活液相反应活性与固相稳定性。KANLFs的成功研发不仅推动核能可持续发展，其级联微反应器设计理念可拓展至CO₂捕集、有毒气体过滤等领域，为多相界面反应材料设计指明方向。