注：本文為作者投稿，共同撰寫人為文章第一、二作者 阿伊謝米古麗·阿塔吾拉（2022級(jí)本科生）、 朱彥梅（ 2023級(jí)碩士研究生 ）。

【成果掠影】

近日，西南民族大學(xué)呂滎賓課題組在《Separation and Purification Technology》（中科院二區(qū)TOP, IF=9.0）上發(fā)表了題為“Multiscale synergistic thermal-mass transfer optimization in GO-based membrane/hydrogel evaporator for efficient anti-salt solar desalination”的研究論文。文章提出了一種全面的界面蒸發(fā)材料優(yōu)化策略，該策略從多尺度集成了從光學(xué)特性優(yōu)化、熱定位能力調(diào)整到熱對(duì)流區(qū)域增強(qiáng)的各種設(shè)計(jì)概念，成功開發(fā)出一種高性能的PGO-Ag復(fù)合膜/PVA-PAM水凝膠的Janus蒸發(fā)器。該創(chuàng)新設(shè)計(jì)有效解決了傳統(tǒng)蒸發(fā)器光熱效率低下和鹽結(jié)晶等關(guān)鍵問題，為偏遠(yuǎn)地區(qū)的淡水供應(yīng)提供了可行性解決方案。

【研究背景 & 圖文摘要】

隨著全球人口激增與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)排放和城市污水導(dǎo)致的水體污染日益嚴(yán)重，全球淡水資源正承受著史無(wú)前例的壓力。傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)雖然有效，但往往成本高昂且能耗巨大，限制了其廣泛應(yīng)用。在此背景下，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸汽生成（SISG）技術(shù)作為一種新興的海水淡化方法，憑借其清潔、可再生的能源優(yōu)勢(shì)，為解決清潔水資源短缺問題提供了新的途徑。其中，氧化石墨烯（GO）膜因其獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)、納米級(jí)水傳輸通道以及良好的親水性，在SISG技術(shù)中展現(xiàn)出巨大潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的水傳輸和蒸發(fā)。

然而，現(xiàn)有GO基膜蒸發(fā)器仍面臨顯著的局限性。一方面，GO基膜蒸發(fā)器的自身光熱轉(zhuǎn)化能力有限并且熱定位能力不足，導(dǎo)致蒸發(fā)器表面熱量向體相水快速擴(kuò)散，蒸發(fā)效率降低；另一方面，持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中蒸發(fā)表面形成的鹽結(jié)晶層會(huì)顯著降低光吸收效率并抑制蒸汽產(chǎn)生。蒸發(fā)效率較低和鹽分沉積等問題極大地限制了GO基膜蒸發(fā)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究者正在不斷探索新型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)化方案。

圖：Janus蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)策略

基于此，呂滎賓課題組在《Separation and Purification Technology》發(fā)表的最新研究成果利用了一種創(chuàng)新的多尺度熱質(zhì)協(xié)同調(diào)控策略成功構(gòu)建了PGO-Ag復(fù)合膜/PVA-PAM水凝膠的Janus蒸發(fā)器。在微觀尺度上，研究團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)刻蝕對(duì)GO納米片進(jìn)行造孔改性，制得多孔氧化石墨烯納米片（PGO），通過(guò)構(gòu)建多級(jí)孔道實(shí)現(xiàn)雙重功能優(yōu)化：一方面促進(jìn)光路的多重散射與捕獲（提升光利用效率），另一方面形成快速水分子輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)（縮短擴(kuò)散路徑）。此外，通過(guò)引入具有局域表面等離子體共振（LSPR）特性的銀納米顆粒進(jìn)一步提升光熱轉(zhuǎn)換效率，使PGO-Ag復(fù)合膜在1個(gè)太陽(yáng)光照下達(dá)到98.16%的平均吸光度和63.9 °C的溫升。在宏觀尺度上，研究團(tuán)隊(duì)利用PVA-PAM水凝膠的雙功能特性，既實(shí)現(xiàn)了有效的熱隔離，又保障了高效的水分傳輸和鹽分排斥。特別地，通過(guò)中心區(qū)域宏觀打孔，突破傳統(tǒng)蒸發(fā)器的傳質(zhì)瓶頸，有效消除蒸發(fā)死區(qū)，強(qiáng)化熱對(duì)流效應(yīng)，最終使PGO-Ag-H1.5蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率分別達(dá)到2.06 kg m-2 h-1和91.93%。這項(xiàng)研究揭示了“少即是多”的設(shè)計(jì)理念，表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化需平衡“添加”與“去除”，為偏遠(yuǎn)地區(qū)淡水供應(yīng)提供了重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖1. Janus蒸發(fā)器的制備示意圖

圖2. Janus蒸發(fā)器的形貌表征

圖3 Janus蒸發(fā)器上層光熱復(fù)合膜表征

圖4. Janus蒸發(fā)器上層復(fù)合膜的光熱性能優(yōu)化

圖5. Janus蒸發(fā)器的界面蒸發(fā)性能

圖 6. Janus蒸發(fā)器的熱管理行為仿真

圖 7. Janus蒸發(fā)器的脫鹽性能及長(zhǎng)期穩(wěn)定性

圖 8. Janus蒸發(fā)器的戶外實(shí)驗(yàn)

【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 Colloid and Interface Science, Separation and Purification Technology, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Power Sources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

原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.134617

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