西南民族大学吕荥宾团队JCIS|一石三鸟：构建GO复合膜同步实现太阳能驱动蒸发、发电和制药废水净化

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.jcis.2025.138991

成果简介：

近日，西南民族大学吕荥宾课题组在《Journal of Colloid and Interface Science》（中科院一区TOP, IF=9.7）上发表了题为“Three birds with one stone: Constructing graphene oxide composite membranes to boost solar-driven interfacial evaporation, electrical power generation and pharmaceutical wastewater purification”的研究论文。文章采用经济简单的静置沉积策略成功制备得到锌离子（Zn2+）交联羧基化单壁碳纳米管（SWCNTs-COOH）插层的多孔氧化石墨烯（PGO）膜。通过对GO纳米片进行化学蚀刻引入微纳孔结构，并将SWCNTs-COOH插入到PGO层间，从而协同优化了材料的光热转化和蒸发性能。此外，为了权衡蒸发性能和经济性，在PGO-Zn-CNT膜中心区域宏观穿孔，以增强热对流和热传质过程。值得注意的是，该复合膜对有机染料、重金属离子和抗生素等典型污染物具有出色的去除能力。进一步地，通过将该复合膜与热电模块相结合构建一种热电联产系统（TCS），为偏远地区的淡水和电力供应提供了一种潜在的解决方案。

研究背景：

淡水作为维系生命和推动社会进步的战略资源，已成为全球性问题。据估计，到2025年，全球约67%的人口将面临清洁水短缺，这对可持续发展构成了严峻挑战。为此，研究人员开发了多种海水淡化技术，尽管这些方法显示出一定的效果，但其高昂的运行成本和潜在的二次污染问题限制了其广泛应用。因此，开发以可再生能源为动力的海水淡化技术以实现清洁水再生已成为当前研究的热点。太阳能作为地球上最丰富的可再生资源，在光伏发电、光热转换和太阳能热存储方面取得了重大突破。在这些应用中，基于光热效应的太阳能驱动水净化技术因其环保和可持续的特点，已成为解决全球水资源短缺问题的有前景的方案。在光热转化材料中，氧化石墨烯（GO）膜作为碳基材料的代表，凭借其具有较大的比表面积和丰富的亲水含氧官能团，能有效扩展蒸发界面并促进水分传输，从而受到了研究者的广泛关注。然而，其仍存在固有缺陷，例如广谱光吸收不足以及热定位能力低，这在一定程度上阻碍了它们的实际推广应用。同时，在蒸发过程中，光热材料与水体之间的温差会不可避免地导致热量向周围环境散失，极大地降低了整体蒸发效率。因此，通过微观和宏观尺度的协同调控来优化蒸发系统中的光热转换、能量传递和水分子传输过程，同时平衡膜性能和成本效益，为缓解沿海和内陆地区的淡水和电力短缺问题提供思路。

基于此，吕荥宾团队发表在《Journal of Colloid and Interface Science》上的文章提出了一种创新的策略，通过一种经济、简单的静置沉积法一步制得PGO-Zn-CNT复合光热膜。该复合膜的核心创新在于其多尺度协同的结构设计与功能集成：首先，通过对GO纳米片进行化学刻蚀构筑多孔结构，并嵌入SWCNTs-COOH网络，在增加膜厚的同时显著提升了光吸收能力（>95%），优化了水传输路径，从而实现了光热蒸发性能的协同增强。其次，为了平衡蒸发性能和经济性，在PGO-Zn-CNT膜的中心设计了孔洞，以增强热质传递效果。在1个太阳光照下，PGO-Zn-CNT-1.5膜的蒸发速率和蒸发效率分别为1.75 kg m-2h-1和92.12%。此外，该膜对各种典型污染物（包括有机染料、重金属离子和抗生素）具有出色的去除能力，为多样化废水处理提供了新的途径。值得强调的是，本研究最终成功地将这些优势集成到一个应用系统中，所开发的热电联产系统（TCS）在室外测试中实现了8.6 L m-2 day-1的淡水和107.4 mV的电压输出，对离网地区提供充足淡水和稳定电力供应方面具有重要的实际应用价值。

结果讨论

图1. GO、PGO纳米片及GO复合膜的形貌表征

图2. GO复合膜的结构表征

图3 GO复合膜的光热管理行为

图4. GO复合膜的热管理行为仿真

图5. GO复合膜的界面蒸发性能

图 6. PGO-Zn-CNT膜的进一步结构优化：环形结构增强热对流

图7. PGO-Zn-CNT-1.5膜的海水淡化性能和长期稳定性

图 8. PGO-Zn-CNT-1.5膜的制药废水净化

图9. 热电转换系统（TCS）的原理及其电压特性

图10. 户外水电实验

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