文献快讯：西南民大吕荥宾SPT | Janus界面蒸发器微纳-宏观多尺度结构设计

注：本文为作者投稿，共同撰写人为文章第一、二作者 阿伊谢米古丽·阿塔吾拉（2022级本科生）、 朱彦梅（ 2023级硕士研究生 ）。

【成果掠影】

近日，西南民族大学吕荥宾课题组在《Separation and Purification Technology》（中科院二区TOP, IF=9.0）上发表了题为“Multiscale synergistic thermal-mass transfer optimization in GO-based membrane/hydrogel evaporator for efficient anti-salt solar desalination”的研究论文。文章提出了一种全面的界面蒸发材料优化策略，该策略从多尺度集成了从光学特性优化、热定位能力调整到热对流区域增强的各种设计概念，成功开发出一种高性能的PGO-Ag复合膜/PVA-PAM水凝胶的Janus蒸发器。该创新设计有效解决了传统蒸发器光热效率低下和盐结晶等关键问题，为偏远地区的淡水供应提供了可行性解决方案。

【研究背景 & 图文摘要】

随着全球人口激增与经济快速发展，工业排放和城市污水导致的水体污染日益严重，全球淡水资源正承受着史无前例的压力。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。在此背景下，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。其中，氧化石墨烯（GO）膜因其独特的二维层状结构、纳米级水传输通道以及良好的亲水性，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。

然而，现有GO基膜蒸发器仍面临显著的局限性。一方面，GO基膜蒸发器的自身光热转化能力有限并且热定位能力不足，导致蒸发器表面热量向体相水快速扩散，蒸发效率降低；另一方面，持续运行过程中蒸发表面形成的盐结晶层会显著降低光吸收效率并抑制蒸汽产生。蒸发效率较低和盐分沉积等问题极大地限制了GO基膜蒸发系统的实际应用。针对这些挑战，研究者正在不断探索新型太阳能界面蒸发系统的优化方案。

图：Janus蒸发器的设计策略

基于此，吕荥宾课题组在《Separation and Purification Technology》发表的最新研究成果利用了一种创新的多尺度热质协同调控策略成功构建了PGO-Ag复合膜/PVA-PAM水凝胶的Janus蒸发器。在微观尺度上，研究团队采用化学刻蚀对GO纳米片进行造孔改性，制得多孔氧化石墨烯纳米片（PGO），通过构建多级孔道实现双重功能优化：一方面促进光路的多重散射与捕获（提升光利用效率），另一方面形成快速水分子输运网络（缩短扩散路径）。此外，通过引入具有局域表面等离子体共振（LSPR）特性的银纳米颗粒进一步提升光热转换效率，使PGO-Ag复合膜在1个太阳光照下达到98.16%的平均吸光度和63.9 °C的温升。在宏观尺度上，研究团队利用PVA-PAM水凝胶的双功能特性，既实现了有效的热隔离，又保障了高效的水分传输和盐分排斥。特别地，通过中心区域宏观打孔，突破传统蒸发器的传质瓶颈，有效消除蒸发死区，强化热对流效应，最终使PGO-Ag-H1.5蒸发器的蒸发速率和蒸发效率分别达到2.06 kg m-2 h-1和91.93%。这项研究揭示了“少即是多”的设计理念，表明结构优化需平衡“添加”与“去除”，为偏远地区淡水供应提供了重要的实际应用价值。

图1. Janus蒸发器的制备示意图

图2. Janus蒸发器的形貌表征

图3 Janus蒸发器上层光热复合膜表征

图4. Janus蒸发器上层复合膜的光热性能优化

图5. Janus蒸发器的界面蒸发性能

图 6. Janus蒸发器的热管理行为仿真

图 7. Janus蒸发器的脱盐性能及长期稳定性

图 8. Janus蒸发器的户外实验

【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5项科研项目，以第一作者或通讯作者在国内外学术期刊Chemical Engineering Journal, Journal of Colloid and Interface Science, Separation and Purification Technology, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Power Sources等国际知名期刊发表学术论文20余篇。

邮箱：lvxingbin@swun.edu.cn

原文链接: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.134617

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