为了实现可持续的水处理，迫切需要能够结合物理分离和主动抗污染功能的超滤（UF）膜[1]，[2]。压电聚合物，特别是聚偏二氟乙烯（PVDF），通过将水力刺激转化为电信号（这一现象称为机电耦合），提供了一个独特的平台。这种机电功能不仅可以用于能量收集，还可以用于减少污染，因为产生的非均匀电场会对悬浮的污染物施加介电泳（DEP）力，根据它们的介电特性将它们排斥（nDEP）或吸引（pDEP）[3]，[4]（如图1a所示）。
PVDF的压电性来源于其β相晶体结构，在这种结构中，所有-trans（TTT）构象使CF2偶极子垂直于聚合物主链排列，从而产生高自极化[5]，[6]。然而，要在PVDF中实现强烈的压电响应，通常需要高压极化来诱导电活性β相并排列偶极子，这一过程与连续膜制造工艺不兼容[7]，[8]，[9]。这是因为传统的非溶剂诱导相分离（NIPs）热力学上更倾向于形成非极性的α相，因此需要在制造后进行极化处理（通常需要几到几十千伏的电压）来诱导α相向β相的转变并排列偶极子[10]。这种能耗高、以批次为导向的工艺与中空纤维膜的连续制造从根本上不兼容，成为压电膜技术规模化发展的一个关键瓶颈[11]。
虽然已经研究了平板压电膜[12]，[13]，但由于其高填充密度和模块化设计[14]，[15]，[16]，在中空纤维领域的研究仍然不足。赋予中空纤维压电性能面临独特挑战：细长的几何形状阻碍了极化过程中的均匀电场应用，可能导致极化不均匀或介电击穿。此外，传统的NIPs工艺涉及与水凝集浴的直接接触，这引发了严重的电气安全问题，使得原位极化变得不可能。因此，迫切需要一种能够在没有外部场的情况下促进β相结晶和偶极子自排列的策略，同时兼容连续纤维纺丝工艺。
将纳米填料（例如BaTiO3、ZnO、TiO2）掺入PVDF中已被证明可以通过界面相互作用促进β相的成核，但宏观偶极子的排列通常仍需要后续极化[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。关键的是，以往的研究主要集中在填料的化学作用上，而忽视了填料形态与加工流场之间的潜在协同作用。如果板状填料能够在纤维纺丝过程中通过剪切流和拉伸流的作用进行排列，那么它们可以同时模板化β相结晶和偶极子取向，从而实现无需外部场的自极化。利用这种协同作用可以克服传统极化的限制，并实现高性能Pi-HFMs的大规模生产。
在这里，我们报道了一种剪切流模板策略，通过整合材料设计和工艺控制，在一步中制备出自极化的PVDF中空纤维膜（Pi-HFMs）（图1b）。在干喷湿法纺丝过程中，分散在PVDF掺料中的板状BaTiO3颗粒在喷丝头内的强烈剪切-拉伸流作用下被排列。这种排列好的填料阵列不仅通过界面相互作用促进了β相的结晶，还引导了β相的偶极子取向，从而形成了无需外部极化的宏观极化“自极化”结构（图1c）。所得到的Pi-HFMs的开路电压为16伏特，β相含量为92.45%。针对多种污染物的系统抗污染测试——包括带电有机物（HA、BSA、SA、Lyz）、有机-无机复合材料（HA-kaolin）和多组分有机混合物——证明了其广泛的抗污染性能。重要的是，使用了SiO2（ε≈3.9）和BaTiO3（ε≈1000）纳米颗粒来验证抗污染机制。这项工作为自极化压电中空纤维膜提供了一种可扩展的制备方法，并基于污染物的固有介电特性提出了一种物理抗污染机制，为下一代水处理技术提供了一种有效的方法。
