多孔膜材料因其具有分离效率高、成本低、无二次污染等优点,成为分离材料领域的研究热点之一。聚合物具备固有柔韧性、加工性能好、稳定性出众等优点,因此聚合物多孔膜被认为是一种非常有前景的分离材料。目前,适配于不同应用体系的多种新型聚合物已用于制备具有特殊功能和形态的多孔膜。在膜技术领域中,研究的核心是膜材料对选择性转运物质起到的屏障作用。而膜的原材料、形貌、表面化学和制备工艺等因素均对此展现出重要的调节能力。因此,对上述因素进行精准的调控是优化膜性能的关键。膜技术在近十年的发展中得到了广泛的认可,在环境、能源、生物医药等领域不断开拓发展与应用。伴随着其应用范围的不断扩大,具有单一表面化学组成的膜材料已经不能完全满足应用需求。因此,对其基底材料的选择和多功能性的要求日渐增长。膜的功能化研究具有重要的科学研究意义和实际应用价值,而如何开发功能化复合纳米纤维膜同时保留纳米尺度的结构特性则始终是研究人员关注的核心问题之一。目前功能化聚合物多孔膜的构建主要以应用需求为导向,设计具有不同表面结构以及表面化学组成的膜基材料。虽然在分离、过滤体系中取得了显著的效率提升,但其稳定性、抗污性能以及选择分离性仍受到限制。因此,对于智能表面的构建,尤其是表面化学可调控的智能表面,是至关重要的。面向环境、储能等领域对聚合物纳米纤维膜材料的需求,本文以具有良好机械性能以及表面化学可修饰性的聚丙烯腈（PAN）聚合物为基质材料,围绕功能化聚合物纳米纤维膜的设计合成及其性能开展了研究。基于对聚合物纳米纤维膜表面化学的认识,制备了具有不同表面化学组成的PAN膜基材料,并分别在双向油水分离、复合电解质构建的Li-O2电池体系以及呼吸过滤应用中展现出了优异的分离、过滤性能。通过引入表面薄膜改性的策略,提出了一种调控膜基材料表面化学的普适性方法,对新型具有液下双疏表面材料的定向合成提供了理论支持。通过针对液下双疏浸润行为的深入研究,制备了液下超双疏纳米纤维膜作为隔膜组件应用于复合电解质机制构建的Li-O2电池体系,大幅度的提高了Li-O2电池的可逆性和循环性能,为下一代二次电池的设计提供了新思路。此外,提出了极性驱动的捕获策略,通过对纳米级别纤维膜的表面极性分量进行精确调控,制备了具有高稳定性、高表面极性的呼吸过滤膜,在过滤效率、使用长效性和重复利用性能上均取得了显著的提升,在实现公众防护口罩健康安全再利用方面表现良好的应用潜力。本论文对功能化聚合物纳米纤维膜的可控制备及其分离、过滤性能展开研究,对于推动表面化学可调控的智能表面在环境、能源等领域的应用具有重要的意义。论文的主要创新性成果如下:1.开发了调控聚丙烯腈纳米纤维膜（PNM）的液下浸润行为的方法。合理构建具有液下双疏浸润行为的膜基材料对油水分离应用具有重要意义。本论文提出一种表面薄膜改性的策略,通过一步聚合反应对PNM进行表面化学调控,系统地制备了十一种具有不同表面化学组成的纳米纤维膜,展现出三种不同的浸润行为:1)水下亲油/油下疏水;2)液下双疏;3)油下亲水/水下疏油。通过引入热力学浸润模型,充分地验证了具有液下双疏浸润行为的表面处于热力学介稳状态。同时发现以材料表面水本征接触角（θw）为变量可以有效地将上述三种液下浸润行为加以分类。基于此,根据任一未知表面的θw和粗糙度（R）,可预测其在一定油-水-固体体系中的液下浸润性,同时也可以根据应用需求定向构筑具有某一特定液下浸润行为的表面。本工作提出的调控表面浸润行为的普适性方法,有效解决了制备液下双疏浸润行为材料的桎梏,为其在液相分离、能源储存以及相转移催化等方面的应用提供了基础。2.发展了新型复合电解质Li-O2电池。本论文采用具有液下超双疏浸润行为的CTFPNM膜材料作为Li-O2电池体系中的隔膜组件,可以高效稳定地隔绝混合电解质,分别将水性Wi S和非水性IL电解质分别限制在正极区和负极区,突破了硬质固体电解质的限制。CTFPNM解决了常规PP隔膜稳定性差的问题,杜绝了活性水分子进入负极区从而生成LiOH中间产物,打破了引入水对金属锂负极造成加速腐蚀的研究现状。此外,对于ORR/OER电化学,全面开发了WiS电解质的潜在优势,从而提高了Li-O2电池的面积比容量、可逆性和循环效率（库仑效率,99.50%）。本工作基于该液下双疏隔膜实现的混合电解质策略促进了Li-O2电池的应用发展,并且为其潜在的实际应用提供了理论支持。3.提出了极性驱动的空气中颗粒物捕获原理。精确制备了具有高稳定性、高表面极性的N97纳米纤维呼吸过滤膜（TFPNM）。聚丙烯腈纳米纤维膜以纳米尺寸的纤维结构显著提高了呼吸过滤类材料的物理屏障作用,从而减少过滤层厚度并有效削弱使用过程中产生的压力降。进而通过精准调控表面极性,制备具有高极性表面的纳米纤维膜,提升了呼吸过滤效率、稳定性和长效性,实现了针对NaCl气溶胶（0.3μm）和柯萨奇B4病毒（27～30 nm）气溶胶（0.3μm）的高效、稳定过滤。同时,与常规的N95防护口罩中的聚丙烯（PP）过滤层相比,TFPNM的表面结构和表面化学的高稳定性使得其在化学、热和辐射等多种消毒和灭菌策略的处理下保持了良好、稳定的过滤特性,有助于实现重复利用性能。本工作在为公众实现防护类口罩的健康和安全再利用方面显示出巨大的潜力。