同时调控GO基膜中的光热响应和气液传输路径以实现稳定高通量太阳能海水淡化

《Journal of Membrane Science》：Simultaneously Modulating the Photothermal Response and Gas-liquid Transport Pathways in GO-based Membranes for Stable and High-flux Solar Desalination

　　

太阳能驱动的界面蒸发（SIE）为海水淡化提供了一种可持续的方法。然而，在保持氧化石墨烯（GO）基膜长期结构稳定性的同时实现高蒸发通量仍然具有挑战性。研究人员报告了一种通过真空辅助过滤制备的PGO-TiN复合膜，该膜将多孔GO（PGO）的平面孔工程与嵌入的TiN纳米颗粒相结合。PGO中的平面孔通过多次散射增强光吸收，并建立高效的垂直水通道，而TiN纳米颗粒通过局域表面等离子体共振（LSPR）进一步提高宽带太阳吸收，实现了99.4%的超高吸收率。同时，氨基化TiN与GO之间的酰胺键增强了层间相互作用，抑制了结构不稳定性，且适度扩大的层间距降低了面内水传输阻力。此外，宏观穿孔有效消除了蒸发死区，促进了对流蒸汽传输。优化后的PGO-TiN-1.5膜在一倍太阳光照下实现了1.54 kg m^-2 h^-1的蒸发速率和92.0%的能量效率，并在15 wt%盐水中保持1.13 kg m^-2 h^-1的蒸发速率。该膜还表现出优异的有机染料去除性能，以及在长期循环和户外运行中的出色表现。这项研究提供了一种有效策略，可同时调控GO基膜中的光热转换、气液传输和结构稳定性。更重要的是，该工作突出了多尺度协同设计，将高光热性能与水合诱导的结构不稳定性解耦，为开发用于高盐度海水淡化的稳定高通量界面光热材料提供了新见解。

### 论文解读：同时调控光热响应与气液传输路径实现GO基膜稳定高通量太阳能海水淡化

#### 研究背景与问题
淡水资源对生态系统和社会经济发展至关重要，但人口增长、工业扩张和气候变化加剧了全球淡水短缺。海水淡化成为关键战略，但传统技术如反渗透（RO）、多级闪蒸（MSF）和电渗析（ED）严重依赖化石能源，导致高能耗、复杂系统和运营成本。太阳能作为丰富且可持续的能源，为低碳脱盐提供了基础。太阳能驱动的界面蒸发（SIE）通过将光热材料聚焦于水-空气界面，抑制体相热耗散，显著提升蒸发效率。在众多光热材料中，氧化石墨烯（GO）基膜因其宽光谱吸收（250-2500 nm）和优异亲水性而备受关注。然而，原始GO膜在水环境中因强水合作用导致结构稳定性差（膨胀、分层），且其曲折的传输路径导致蒸发速率较低。现有研究多分别优化蒸发性能和稳定性，但缺乏同时实现高蒸发通量和长期结构鲁棒性的系统策略。因此，本研究旨在通过多尺度协同设计，解决GO基膜中光热转换、气液传输与结构稳定性之间的耦合矛盾。

#### 研究内容与结论
研究人员通过真空辅助过滤结合宏观中心穿孔策略，制备了PGO-TiN复合膜，集成了多孔GO（PGO）纳米片的平面孔工程与氨基化氮化钛（TiN-NH₂）纳米颗粒嵌入。研究发现：PGO的平面孔结构通过多次散射增强光捕获，并建立垂直水传输通道，降低传质阻力；TiN纳米颗粒通过局域表面等离子体共振（LSPR）显著提升光热转换，实现99.4%的超高宽带吸收率；TiN-NH₂与GO之间形成的酰胺键增强层间相互作用，抑制水合膨胀，同时适度扩大的层间距促进水分子传输；宏观穿孔消除中心蒸发死区，增强对流蒸汽扩散。优化后的PGO-TiN-1.5膜在一倍太阳光照下蒸发速率达1.54 kg m^-2 h^-1，能量效率92.0%，在15 wt%高盐盐水中仍保持1.13 kg m^-2 h^-1的蒸发速率，并展现出优异的长期循环稳定性和有机染料去除能力。该研究证明，多尺度协同设计可有效解耦高光热性能与水合诱导的结构不稳定性，为开发高性能界面光热材料提供了新路径。该论文发表在《Journal of Membrane Science》。

#### 主要关键技术方法
研究人员采用真空辅助过滤法将PGO纳米片与TiN-NH₂纳米颗粒复合，制备复合膜。关键方法包括：（1）平面孔工程：通过刻蚀GO纳米片引入面内孔隙，增强光散射并构建垂直水通道；（2）TiN纳米颗粒氨基化修饰：使用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）对TiN表面功能化，形成TiN-NH₂，便于与GO酰胺键交联；（3）真空过滤组装：将PGO分散液与TiN-NH₂悬浮液混合，真空抽滤形成层状膜；（4）宏观中心穿孔：在膜中心制造一个穿孔，消除蒸发死区。这些方法协同调控了光吸收、水传输和结构稳定性，未涉及具体试剂用量或培养步骤。

#### 研究结果
**1. 形貌与化学特性**
通过扫描电子显微镜（SEM）和光学图像表征，所有膜（GO、PGO、PGO-TiN）均表面光滑均匀。PGO-TiN膜表面褶皱显著减少，归因于TiN纳米颗粒嵌入填充了层间空隙。红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）证实酰胺键形成，表明TiN-NH₂与GO成功交联。

**2. 光热性能与润湿性**
紫外-可见-近红外光谱显示PGO-TiN膜在250-2500 nm范围内吸收率高达99.4%，优于纯GO（~85%）。接触角测试表明所有膜均具有亲水性（接触角<30°），但PGO-TiN膜因层间距增大和孔隙存在，水渗透速率更快。

**3. 太阳能驱动界面蒸发性能**
在1倍太阳光照下，PGO-TiN-1.5膜（TiN含量优化的样品）蒸发速率达1.54 kg m^-2 h^-1，能量效率92.0%，显著高于GO膜（1.22 kg m^-2 h^-1，75.5%）和PGO膜（1.40 kg m^-2 h^-1，84.2%）。宏观穿孔进一步将蒸发速率提升17%，归因于对流蒸汽传输增强。

**4. 脱盐性能与稳定性**
在3.5 wt%和15 wt% NaCl溶液中，膜分别保持1.32和1.13 kg m^-2 h^-1的稳定蒸发速率，盐结晶耐受性优异。连续10小时循环测试中蒸发速率无衰减，且离子去除率>99.9%。户外实验（自然光照）下日均蒸发量达1.45 kg m^-2 h^-1，证明实际应用潜力。

#### 讨论与结论
研究结论指出：通过整合纳米片多孔性工程、TiN纳米颗粒嵌入和宏观穿孔，同时实现了光热转换、热局域化和气液传质的调控。TiN嵌入和PGO多孔框架共同降低水蒸发焓，强化水分子传输。该工作解决了GO膜水合不稳定性和传输效率低的瓶颈，为高盐度脱盐的稳定高通量界面光热材料设计提供了新思路。结论部分翻译如下：
在本研究中，通过真空过滤和宏观中心穿孔工艺制备了PGO-TiN复合膜，旨在实现高效稳定的太阳能驱动界面蒸发。通过集成纳米片多孔工程、TiN纳米颗粒嵌入和宏观穿孔，同时实现了光热转换、热局域化和液-气传质的调控。TiN嵌入和PGO多孔框架均有助于降低水蒸发焓并强化水分子传输。该研究为同时优化蒸发通量和膜稳定性提供了可行策略，为可持续水净化用高性能界面光热材料的合理设计提供了新见解。