新型W-MgF2/石墨烯光热膜实现高效太阳能驱动海水淡化

为解决传统光热材料在太阳能驱动海水淡化中存在的热辐射损失、稳定性差及成本高等问题，韩国研究人员开发了一种由等离子体钨(W)、空心MgF2纳米颗粒和石墨烯-PMMA层组成的复合光热膜。该膜通过三组分协同作用实现95.39%的宽谱光吸收，在1太阳光强下获得0.938 LMH的水通量，离子截留率>99%，并通过可扩展喷涂技术实现50×50 cm2大面积制备，为可持续海水淡化提供了新材料策略。

　　

全球水资源危机正因气候变化和人口增长加剧，约50亿人面临缺水风险。海水淡化技术中，膜蒸馏(Membrane Distillation, MD)因低能耗优势备受关注，但其核心组件光热材料存在关键瓶颈：贵金属(如Au/Ag)成本高且易腐蚀，碳基材料存在中红外热辐射损失，半导体材料则受限于窄带吸收。韩国国立研究团队在《Desalination》发表研究，通过整合等离子体钨(W)的强光吸收、空心MgF₂纳米颗粒的宽带散射和石墨烯的高热导特性，构建了新型W-MgF₂/石墨烯杂化光热膜。

研究采用模板法合成空心MgF₂纳米颗粒，通过静电吸附将MgF₂沉积在聚苯乙烯(PS)模板表面，再经煅烧去除模板；利用喷涂技术依次沉积W纳米颗粒、MgF₂层和石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合层，形成三明治结构光热膜。

高效光热转换机制
光谱测试显示，W纳米颗粒通过局域表面等离子体共振(LSPR)增强可见光吸收，空心MgF₂因低折射率(n=1.38@600nm)减少反射并促进多重散射，石墨烯层则通过面内声子传输实现快速热扩散。三者协同使膜在0.3-2.5μm波段吸收率达95.39%，较单一组分提升1.9倍。

实际脱盐性能
在1太阳光照(1kW/m²)下，膜表面温度升至85.3°C，产生0.938 LMH的水通量，盐离子截留率>99%。加速老化实验表明，W的高抗氧化性使膜在海水环境中保持30天性能稳定，而传统Ag基膜7天内效率下降40%。

规模化制备优势
采用顺序喷涂工艺可实现50×50 cm²均匀涂层，膜厚控制在120±5μm，且每平方米材料成本仅为Au基膜的1/20。

该研究通过材料-结构协同设计突破了光热蒸发效率与稳定性的矛盾，W-MgF₂/石墨烯体系不仅解决了传统材料的局限性，其可扩展制备工艺更推动了太阳能海水淡化的实际应用。通讯作者Jeong Min Baik指出，该技术可延伸至工业废水处理领域，未来通过优化MgF₂空腔尺寸有望进一步提升近红外吸收效率。