石墨烯气凝胶膜中水分子扩散的分子动力学研究及膜蒸馏性能优化

本研究针对膜蒸馏(MemD)技术中膜材料效率不足的问题，通过分子动力学(MDyn)模拟和统计分析，系统研究了石墨烯气凝胶(GA)膜的结构优化策略。研究发现增大孔径可使渗透通量提升约400 L/(m2 ·h)/nm，且石墨烯片长度增加会提升扩散系数与Knudsen模型的吻合度，最终建立了兼具预测性和物理解释性的通量模型，为设计超薄、垂直排列、高孔隙率GA膜提供了理论依据。

　　

全球淡水资源危机日益严峻，仅0.2%的淡水可供人类直接使用，而海水淡化技术成为解决这一困境的关键。膜蒸馏(Membrane Distillation, MemD)作为一种新兴的热驱动分离技术，相比传统反渗透(RO)具有可利用低品位热源、处理高盐度水等优势，但其分离效率和能耗问题始终制约着商业化应用。传统膜材料面临渗透通量低、温度极化效应明显等挑战，而具有纳米多孔结构的石墨烯气凝胶(Graphene Aerogel, GA)因其超高孔隙率(达99%)、可控孔径(5-100 nm)和超低热导率(10-30 mW/(m·K))成为理想候选材料。然而，目前对GA膜中水分子传输机制的原子尺度研究仍存在模型简化过度、忽视实际相变过程等缺陷。

针对这一科学问题，中国的研究团队通过分子动力学(Molecular Dynamics, MDyn)模拟，创新性地构建了接近真实GA结构的全原子模型。该模型通过循环退火工艺模拟空间随机分布的石墨烯片(平均长度L?)和虚拟夹杂物(平均半径σ)，精确调控GA的拓扑特征(如平均孔径D_GA
、孔隙率φ_GA
等)。研究采用LAMMPS软件进行大规模原子模拟，结合Python编程实现自动化分析，通过OVITO工具可视化水分子扩散轨迹，系统探究了结构参数与MemD性能的构效关系。

Assembling process of GA
通过调节Lennard-Jones势能中的σ参数，研究发现增大σ和L?可显著扩大GA孔径并降低曲折度。当σ从0.5 nm增至1.2 nm时，D_GA
呈现非线性增长，而φ_GA
最高可达98.7%，这种结构特性为水蒸气传输提供了理想通道。

Conclusion
研究证实：在343 K条件下，GA膜孔径每增加1 nm，渗透通量提升约400 L/(m²
·h)；当石墨烯片长度L?>50 nm时，水分子扩散系数D与Knudsen模型的偏差缩小至5%以内，这归因于长石墨烯片形成的原子级光滑连续表面降低了传输阻力。值得注意的是，扩散系数二阶导数为负值，表明随孔径增大其变化率逐渐减缓，这一发现修正了传统理论的线性假设。

CRediT authorship contribution statement
由Honglin Liu领衔的研究团队提出：理想MemD膜应具备超薄厚度以减少传输距离，同时具有垂直排列的大孔径通道、高孔隙率和刚性表面。该成果不仅为GA膜设计提供了量化标准，其建立的通量预测模型更可推广至其他多孔材料，发表于《Journal of Molecular Liquids》的研究为发展高效节能的海水淡化技术奠定了理论基础。

这项工作的创新性在于首次通过原子模拟揭示了GA膜中非Knudsen扩散的本质特征，其提出的"孔径-通量"定量关系可直接指导实验制备。未来研究可结合光热转换材料，开发能同时利用太阳能的全功能GA膜，推动MemD技术向工业化应用迈进。