西南民族大學(xué)呂滎賓JMS|GO基光熱復(fù)合膜：協(xié)同調(diào)控光熱響應(yīng)與氣液傳輸，構(gòu)筑高效穩(wěn)定GO基海水淡化膜

第一作者：馬萬(wàn)超（2025級(jí)碩士研究生）

通訊作者：呂滎賓（西南民族大學(xué)）

DOI：10.1016/j.memsci.2026.125765

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成果簡(jiǎn)介：

近日，西南民族大學(xué)呂滎賓課題組在國(guó)際膜科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Journal of Membrane Science》發(fā)表研究成果“Simultaneously modulating the photothermal response and gas-liquid transport pathways in GO-based membranes for stable and high-flux solar desalination”。研究團(tuán)隊(duì)提出多尺度協(xié)同設(shè)計(jì)策略，將多孔氧化石墨烯（PGO）面內(nèi)孔隙工程與氨基化氮化鈦（TiN）納米顆粒結(jié)合，構(gòu)建了PGO-TiN復(fù)合膜。該膜通過(guò)孔隙調(diào)控和TiN的局域表面等離子體共振效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)99.4%的寬帶光吸收率；同時(shí)增強(qiáng)層間作用力、優(yōu)化水分傳輸通道，并通過(guò)宏觀造孔設(shè)計(jì)促進(jìn)蒸汽快速逸出。在1個(gè)太陽(yáng)光照下，優(yōu)化后的膜蒸發(fā)速率達(dá)到1.54 kg m-2 h-1，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)92.0%。該系統(tǒng)在高鹽廢水和有機(jī)染料廢水處理中表現(xiàn)出優(yōu)異的凈化性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為離網(wǎng)地區(qū)淡水獲取和廢水處理提供了新的技術(shù)方案。

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研究背景：

隨著全球人口壓力與工業(yè)的快速擴(kuò)張，清潔淡水資源的短缺已成為人類面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的反滲透（RO）和多級(jí)閃蒸（MSF）等海水淡化技術(shù)雖然成熟有效，但嚴(yán)重依賴化石燃料，存在能耗高、碳排放量大的問(wèn)題，限制了其可持續(xù)發(fā)展。作為一種新興的低碳替代方案，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)（SIE）技術(shù)通過(guò)將熱能精準(zhǔn)定位于氣液界面，大幅降低了水體的熱散失，為解決淡水危機(jī)提供了極具前景的途徑。在眾多光熱材料中，氧化石墨烯（GO）膜因具備寬譜光吸收能力，以及表面豐富含氧官能團(tuán)賦予的優(yōu)異親水性，展現(xiàn)出了實(shí)現(xiàn)高效水傳輸與蒸發(fā)的巨大潛力。

然而，GO膜在實(shí)際的高效太陽(yáng)能海水淡化應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，未經(jīng)修飾的純GO膜吸光范圍有限，制約了光熱轉(zhuǎn)換潛能；另一方面，強(qiáng)烈的“水合作用”會(huì)破壞膜在水中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，引發(fā)溶脹和剝離。更關(guān)鍵的是，膜內(nèi)迂回曲折的傳輸通道阻礙了液態(tài)水的快速補(bǔ)給，加之常規(guī)的宏觀無(wú)孔結(jié)構(gòu)容易造成蒸發(fā)界面的蒸汽堆積，嚴(yán)重限制了系統(tǒng)蒸發(fā)速率的突破。基于此，研究者提出了一種多尺度協(xié)同調(diào)控策略，通過(guò)將多孔氧化石墨烯（PGO）面內(nèi)孔隙工程與氨基化氮化鈦（TiN-NH2）納米顆粒插層相結(jié)合，成功構(gòu)筑了兼具高光熱轉(zhuǎn)換效率與優(yōu)異結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的PGO-TiN復(fù)合膜。研究發(fā)現(xiàn)，TiN納米顆粒的局域表面等離子體共振（LSPR）效應(yīng)顯著增強(qiáng)了膜材料的太陽(yáng)光捕獲能力，使其寬譜光吸收率達(dá)到99.4%。同時(shí)，TiN-NH2與PGO之間形成的酰胺鍵有效強(qiáng)化了層間結(jié)合，提升了膜在水環(huán)境中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；適度擴(kuò)大的層間通道則降低了水分傳輸阻力，加速了供水過(guò)程。此外，研究團(tuán)隊(duì)引入宏觀中心造孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了蒸發(fā)界面的氣液傳輸路徑，減少無(wú)效蒸發(fā)區(qū)域，并促進(jìn)蒸汽快速逸出。得益于光吸收、水輸運(yùn)與蒸汽擴(kuò)散的協(xié)同優(yōu)化，該膜實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)性能，為海水淡化和復(fù)雜廢水處理提供了一種具有應(yīng)用前景的新型膜材料設(shè)計(jì)思路。

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結(jié)果討論

圖1. GO復(fù)合膜的制備過(guò)程

圖2. GO復(fù)合膜的形貌表征

圖3. GO復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)表征

圖4 GO復(fù)合膜的光熱管理行為

圖5. GO復(fù)合膜的熱管理行為仿真

圖6. GO復(fù)合膜的界面蒸發(fā)行為

圖7. PGO-TiN-1.5復(fù)合膜的海水淡化性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性

圖8. 戶外實(shí)驗(yàn)

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作者簡(jiǎn)介

通訊作者介紹：

呂滎賓，博士，碩士生導(dǎo)師，畢業(yè)于四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，2022年2月進(jìn)入西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院工作。研究方向?yàn)槎S膜材料與膜過(guò)程、傳質(zhì)與分離、太陽(yáng)能界面蒸發(fā)材料。

近年來(lái)主持四川省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目等5項(xiàng)科研項(xiàng)目，以第一作者或通訊作者在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊Chemical Engineering Journal, Journal of Membrane Science, Separation and Purification Technology, Journal of Colloid and Interface Science, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Alloys and Compounds, Applied Surface Science等國(guó)際知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。

郵箱：lvxingbin@swun.edu.cn