基于g-C3N4光热抗润湿屏障的PVA/PTFE复合膜用于太阳能膜蒸馏的结构–性能关系研究

《RSC Advances》：Graphitic carbon nitride nanomaterials integrating optical absorption and membrane performance for solar distillationOpen Access

　　

石墨相氮化碳（g-C3N4）纳米材料在太阳能驱动膜蒸馏（MD）中具有较高潜力，但在光学吸收与传质稳定性之间取得平衡仍具挑战。研究人员通过喷涂热解法（spray pyrolysis）制备纳米晶g-C3N4薄膜，并将其集成至聚乙烯醇（PVA）包覆的聚四氟乙烯（PTFE）膜中，形成具光热活性的抗润湿屏障。微结构分析显示其为多晶结构，平均晶粒尺寸36.6 nm，存在压缩微应变（ε = 0.0047），可促进非辐射能量耗散用于光热加热。基于Wemple–DiDomenico单振子模型的光谱拟合给出振子能量（Eo）5.65 eV、色散能（Ed）16.5 eV及高频介电常数（ε∞）4.28。将g-C3N4嵌入PVA基体使光学带隙由2.49 eV收窄至2.13 eV，吸收边移至582 nm，增强太阳光谱利用。光热测试表明，PVA/g-C3N4涂层在低辐照下局域表面温度达62.7 ℃。MD测试中，该涂层虽引入传质阻力，使渗透系数由0.58降至0.23 L m?2 h?1 ℃?1，但显著提升长期耐久性：原始PTFE在10 h内发生灾难性孔润湿与通量丧失，而PVA/g-C3N4膜稳定运行20 h（1200 min），通量保留约54%，盐截留率>99.5%。该研究建立结构–性能关系，表明以初始渗透性换取光热稳定性与抗润湿能力对实用化太阳能脱盐至关重要。

研究背景与问题提出

淡水短缺与水污染是21世纪严峻的环境挑战，膜分离技术尤其是膜蒸馏（MD，membrane distillation）因可利用低品位或可再生能源处理高盐废水而受到关注。但MD长期受限于膜孔润湿、温度极化、蒸气传质阻力与导热损失。石墨相氮化碳（g-C₃N₄，graphitic carbon nitride）是具有类石墨层状结构的中带隙聚合物半导体，具备可见光响应、热化学稳定性与丰富表面官能团，但既往研究多集中于粉末光催化，薄膜形态及其与MD耦合的光学、介电与抗润湿行为尚缺乏系统认知。

研究内容与结论意义

研究人员以尿素热缩聚结合喷涂热解法制备纳米晶g-C₃N₄薄膜，并将其引入PVA包覆的PTFE膜，构建光热抗润湿复合膜。结果表明：压缩微应变与晶界缺陷促进非辐射弛豫，使吸收光子转化为晶格热；带隙收窄提升太阳光谱捕获；复合涂层以适度通量损失换取长期抗润湿与运行稳定性。该工作把材料微结构、光学色散与膜工程打通，证明“牺牲初始渗透率换光热耐久”是实用太阳能脱盐的可行设计逻辑。

主要关键技术方法

研究人员采用X射线衍射（XRD）结合Williamson–Hall分析评估晶粒尺寸与微应变；通过紫外–可见–近红外光谱与Wemple–DiDomenico单振子模型提取光学色散参数；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜能谱（SEM-EDX）与Brunauer–Emmett–Teller（BET）表征化学键、元素配比与介孔结构；在直接接触膜蒸馏（DCMD）装置中以合成海水（35000–40000 ppm NaCl）为进料，结合氙灯模拟AM 1.5G太阳辐照，评价光热温升、水通量、盐截留与20 h长期稳定性。

研究结果

3.1 结构与晶格应变作为光热潜力描述符

通过XRD与Williamson–Hall分析，研究人员获得平均晶粒尺寸36.6 nm与压缩微应变ε=0.0047。小晶粒、晶界密度与压缩应变共同构成富缺陷环境，促进激子非辐射复合，将吸收光能转为热量，而非辐射发光。

3.2 基于FTIR的振动指纹与结构完整性

对比纯PVA、纯g-C₃N₄与复合膜FTIR谱图，保留g-C₃N₄特征C–N、C═N与环呼吸振动，并在O–H/N–H重叠区出现氢键环境改变，证明g-C₃N₄被有效包埋且界面存在相互作用。

3.3 形貌架构：从纳米晶到微米团聚体

SEM显示约397 nm团聚体，高分辨透射电镜（HRTEM）解析纳米特征约2.83 nm，EDX给出C:N原子比39.5:60.5，呈轻微富氮；BET显示介孔为主、总孔容0.224 cm³ g^?1、平均孔径36.9 nm，有利于质量传输与活性位点可及性。

3.4 光学性质

3.4.1 光学色散与电子跃迁

透光/反射谱显示强紫外吸收与低反射；由吸收系数与Tauc关系得薄膜带隙特征，PVA基体复合后带隙由2.49 eV降至2.13 eV，吸收边移至582 nm。Wemple–DiDomenico模型给出E_o=5.65 eV、E_d=16.5 eV、ε_∞=4.28，说明该薄膜兼具宽谱吸收与可控介电响应。

3.5 光热与MD性能

低辐照下涂层表面达62.7 ℃；DCMD测试中渗透系数由0.58降至0.23 L m^?2 h^?1 ℃^?1，但原始PTFE 10 h内润湿失效，PVA/g-C₃N₄膜运行1200 min仍保持约54%通量与>99.5%盐截留。

讨论与结论翻译

讨论部分指出，缺陷工程视角下“通常不利”的晶界与应变在此转为光热优势；富氮态、介孔通道与PVA交联层共同抑制孔润湿、缓冲温差应力并提升运行寿命。研究结论为：通过喷涂热解可扩展制备纳米晶g-C₃N₄薄膜，其与PVA/PTFE集成后建立清晰的结构–性能关联——适度牺牲渗透率以换取光热转换、抗润湿与长期稳定，是面向实际太阳能脱盐的关键权衡。