四川
第一作者：朱彦梅（2023级硕士研究生）
通讯作者：吕荥宾（西南民族大学）
DOI：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130958
成果简介
近日，西南民族大学吕荥宾课题组在《Separation and Purification Technology》（中科院一区TOP, IF=8.1）上发表了题为“Enhancing photothermal conversion efficiency and aqueous stability of graphene oxide membranes for clean water production”的研究论文。文章提出了一种创新的方法，利用锌离子和单宁酸（TA）对氧化石墨烯（GO）膜进行交联，从而优化膜的结构和性能，以提升太阳能驱动的海水淡化效率。该方法不仅改善了GO膜的光热转换能力，还增强了其长期稳定性。得益于膜表面良好的光吸收和内部优化的热传导路径，优化后的复合膜展示出其增强的光热转换和优异的热定位能力，使得热能能够高效用于水蒸发过程。同时，其还表现出良好的抗盐效果和长期稳定性，在实际海水淡化应用中具有广阔前景。
图1.GO基复合膜蒸发器结构调控思路示意图
研究背景
随着全球人口的快速增长和水污染问题的不断加剧，清洁水资源的短缺已成为全球面临的严峻挑战。传统的海水淡化技术虽然有效，但往往成本高昂且能耗巨大，限制了其广泛应用。太阳能驱动的界面蒸汽生成（SISG）技术作为一种新兴的海水淡化方法，凭借其清洁、可再生的能源优势，为解决清洁水资源短缺问题提供了新的途径。GO膜因其独特的二维结构、亚纳米级层间通道以及优异的亲水性，在SISG技术中展现出巨大潜力，能够实现高效的水传输和蒸发。
尽管GO膜具有诸多优点，但在实际应用中仍面临一些挑战。例如，GO膜的堆叠缺陷和死区会限制水传输效率，导致蒸发率低于预期。其次，其机械性能较低，在长期工作中的稳定性也不强。为了克服这些局限性，优化SISG蒸发器的性能，研究者们不断探索新的方法和策略。基于此，吕荥宾团队发表在《Separation and Purification Technology》上的文章提出了一种创新的策略，通过一种经济、简单的静态沉积法，一步制备具有高蒸发效率和长期稳定性的GO基复合膜。制备过程中，Zn2+被锌箔蚀刻释放，与GO纳米片和TA同时交联，加速了复合膜的形成。一方面，Zn2+与TA螯合形成金属-TA网络，增强了膜内光线的多次反射，从而提高了光吸收能力。另一方面，羟基基团的高密度使复合膜具有较强的亲水性，通过调节TA的添加量，可以精确调节膜的层间间距，优化层间水分输送途径，进一步提高蒸发器的蒸发效率。
此外，传统真空过滤法制备的膜的尺寸取决于设备的大小，难以实现规模化和工业化生产。而文中这种静态沉积策略易于规模化生产大面积GO基复合膜，更有利于工业化应用。上述结果为开发高成本效益、大批量生产、长期稳定、高效运行的太阳能界面蒸发系统提供了理论见解和实验基础。
结果讨论
图 2. 不同复合膜的形貌表征
图3. 不同复合膜的结构表征
图 4 不同复合膜的化学组成表征
图 5. 不同复合膜的光热管理行为
图6. 不同复合膜的热管理行为仿真
图 7. 不同复合膜的界面蒸发性能
图 8. 不同复合膜的非常规水资源处理能力和稳定性
图 9. 户外实验和规模化制备潜力
通讯作者介绍
吕荥宾，博士，硕士生导师，毕业于四川大学化学工程学院，2022年2月进入西南民族大学化学与环境学院工作。研究方向为二维膜材料与膜过程、传质与分离、太阳能界面蒸发材料。
近年来主持四川省自然科学基金青年基金项目等3项科研项目，以第一作者或通讯作者在国内外学术期刊Separation and Purification Technology, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Power Sources, Journal of Colloid and Interface Science等国际知名期刊发表学术论文20余篇。
邮箱：lvxingbin@swun.edu.cn
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