四川
第一作者：马万超（2025级硕士研究生）
通讯作者：吕荥宾（西南民族大学）
DOI：10.1016/j.memsci.2026.125765
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成果简介：
近日，西南民族大学吕荥宾课题组在国际膜科学领域权威期刊《Journal of Membrane Science》发表研究成果“Simultaneously modulating the photothermal response and gas-liquid transport pathways in GO-based membranes for stable and high-flux solar desalination”。研究团队提出多尺度协同设计策略，将多孔氧化石墨烯（PGO）面内孔隙工程与氨基化氮化钛（TiN）纳米颗粒结合，构建了PGO-TiN复合膜。该膜通过孔隙调控和TiN的局域表面等离子体共振效应，实现99.4%的宽带光吸收率；同时增强层间作用力、优化水分传输通道，并通过宏观造孔设计促进蒸汽快速逸出。在1个太阳光照下，优化后的膜蒸发速率达到1.54 kg m-2 h-1，能量转换效率达92.0%。该系统在高盐废水和有机染料废水处理中表现出优异的净化性能和长期稳定性，为离网地区淡水获取和废水处理提供了新的技术方案。
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研究背景：
随着全球人口压力与工业的快速扩张，清洁淡水资源的短缺已成为人类面临的严峻挑战。传统的反渗透（RO）和多级闪蒸（MSF）等海水淡化技术虽然成熟有效，但严重依赖化石燃料，存在能耗高、碳排放量大的问题，限制了其可持续发展。作为一种新兴的低碳替代方案，太阳能驱动的界面蒸发（SIE）技术通过将热能精准定位于气液界面，大幅降低了水体的热散失，为解决淡水危机提供了极具前景的途径。在众多光热材料中，氧化石墨烯（GO）膜因具备宽谱光吸收能力，以及表面丰富含氧官能团赋予的优异亲水性，展现出了实现高效水传输与蒸发的巨大潜力。
然而，GO膜在实际的高效太阳能海水淡化应用中仍面临诸多挑战。一方面，未经修饰的纯GO膜吸光范围有限，制约了光热转换潜能；另一方面，强烈的“水合作用”会破坏膜在水中的结构稳定性，引发溶胀和剥离。更关键的是，膜内迂回曲折的传输通道阻碍了液态水的快速补给，加之常规的宏观无孔结构容易造成蒸发界面的蒸汽堆积，严重限制了系统蒸发速率的突破。基于此，研究者提出了一种多尺度协同调控策略，通过将多孔氧化石墨烯（PGO）面内孔隙工程与氨基化氮化钛（TiN-NH2）纳米颗粒插层相结合，成功构筑了兼具高光热转换效率与优异结构稳定性的PGO-TiN复合膜。研究发现，TiN纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSPR）效应显著增强了膜材料的太阳光捕获能力，使其宽谱光吸收率达到99.4%。同时，TiN-NH2与PGO之间形成的酰胺键有效强化了层间结合，提升了膜在水环境中的结构稳定性；适度扩大的层间通道则降低了水分传输阻力，加速了供水过程。此外，研究团队引入宏观中心造孔结构，优化了蒸发界面的气液传输路径，减少无效蒸发区域，并促进蒸汽快速逸出。得益于光吸收、水输运与蒸汽扩散的协同优化，该膜实现了高效稳定的太阳能界面蒸发性能，为海水淡化和复杂废水处理提供了一种具有应用前景的新型膜材料设计思路。
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结果讨论
图1. GO复合膜的制备过程
图2. GO复合膜的形貌表征
图3. GO复合膜的结构表征
图4 GO复合膜的光热管理行为
图5. GO复合膜的热管理行为仿真
图6. GO复合膜的界面蒸发行为
图7. PGO-TiN-1.5复合膜的海水淡化性能和长期稳定性
图8. 户外实验
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作者简介
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 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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