光芬顿自清洁氧化石墨烯/g-C3N4@FeOOH纳米管复合膜实现高效油水分离与抗污染协同机制研究

针对传统膜材料在油水分离中通量恢复率低、不可逆污染等问题，中国科学院团队创新性地构建了g-C3N4@FeOOH纳米管异质结/氧化石墨烯(GO)复合膜。该膜通过可见光驱动光芬顿(photo-Fenton)催化降解污染物，实现99.5%油截留率和99.8%通量恢复率(FRR)，渗透性达160 L·m?2·h?1·bar?1，为工业废水处理提供了新型自清洁膜技术范式。

　　

随着全球工业发展，含油废水已成为威胁生态环境和人类健康的重大挑战。传统膜分离技术虽具有能耗低、体积紧凑等优势，但普遍面临渗透性与选择性难以兼得、膜污染不可逆等瓶颈问题。氧化石墨烯(GO)膜因其可调控的二维纳米通道结构被视为理想解决方案，然而其水溶液稳定性差、缺乏自清洁功能等缺陷制约了实际应用。为此，中国科学院团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，通过将g-C₃N₄@FeOOH(CNNTs@FeOOH)纳米管异质结嵌入GO层间，成功开发出兼具高效分离与自清洁功能的复合膜系统。

研究采用水热合成结合温和化学法制备CNNTs@FeOOH异质结构，通过真空辅助自组装技术将其整合至GO纳米片层中。利用SEM、XPS等技术表征材料形貌与化学组成，通过接触角测试评估润湿性，采用错流过滤装置测试分离性能，并借助自由基捕获实验阐明催化机制。

材料表征与界面设计
CNNTs@FeOOH异质结构通过静电吸附与配位作用形成，FeOOH在g-C₃N₄纳米管表面均匀生长。该设计使复合膜获得0°超亲水性和160°水下超疏油性，表面能计算证实其抗污染特性源于特殊润湿行为。

分离性能突破
GO/CNNTs@FeOOH膜在可见光照射下展现156.8 L·m^?2·h^?1·bar^?1通量，较原始GO膜提升38倍。连续10次循环测试中保持99.5%油截留率，通量恢复率(FRR)达99.8%，远超传统膜49.2%的水平。

催化机制解析
异质结促进光生电子-空穴分离，加速Fe³⁺/Fe²⁺循环，产生·OH和·O₂^?自由基。EPR检测证实该体系在60分钟内可降解90%污染物，实现膜表面污染物的原位矿化。

该研究开创性地将光催化与芬顿氧化协同效应引入膜分离系统，突破传统技术对化学清洗的依赖。CNNTs@FeOOH异质结不仅调控GO层间距提升渗透性，其窄带隙特性更拓展了可见光响应范围。研究成果为开发新一代智能自清洁膜提供了理论依据和技术原型，对实现工业废水可持续处理具有重要实践价值。作者Sudong Yang团队特别指出，该技术未来可拓展至制药、食品加工等复杂废水场景，但大规模制备工艺与长期稳定性仍需进一步优化。