文獻快訊：西南民大呂滎賓SPT | Janus界面蒸發器微納-宏觀多尺度結構設計

注：本文為作者投稿，共同撰寫人為文章第一、二作者 阿伊謝米古麗·阿塔吾拉（2022級本科生）、 朱彥梅（ 2023級碩士研究生 ）。

【成果掠影】

近日，西南民族大學呂滎賓課題組在《Separation and Purification Technology》（中科院二區TOP, IF=9.0）上發表了題為“Multiscale synergistic thermal-mass transfer optimization in GO-based membrane/hydrogel evaporator for efficient anti-salt solar desalination”的研究論文。文章提出了一種全面的界面蒸發材料優化策略，該策略從多尺度集成了從光學特性優化、熱定位能力調整到熱對流區域增強的各種設計概念，成功開發出一種高性能的PGO-Ag復合膜/PVA-PAM水凝膠的Janus蒸發器。該創新設計有效解決了傳統蒸發器光熱效率低下和鹽結晶等關鍵問題，為偏遠地區的淡水供應提供了可行性解決方案。

【研究背景 & 圖文摘要】

隨著全球人口激增與經濟快速發展，工業排放和城市污水導致的水體污染日益嚴重，全球淡水資源正承受著史無前例的壓力。傳統的海水淡化技術雖然有效，但往往成本高昂且能耗巨大，限制了其廣泛應用。在此背景下，太陽能驅動的界面蒸汽生成（SISG）技術作為一種新興的海水淡化方法，憑借其清潔、可再生的能源優勢，為解決清潔水資源短缺問題提供了新的途徑。其中，氧化石墨烯（GO）膜因其獨特的二維層狀結構、納米級水傳輸通道以及良好的親水性，在SISG技術中展現出巨大潛力，能夠實現高效的水傳輸和蒸發。

然而，現有GO基膜蒸發器仍面臨顯著的局限性。一方面，GO基膜蒸發器的自身光熱轉化能力有限并且熱定位能力不足，導致蒸發器表面熱量向體相水快速擴散，蒸發效率降低；另一方面，持續運行過程中蒸發表面形成的鹽結晶層會顯著降低光吸收效率并抑制蒸汽產生。蒸發效率較低和鹽分沉積等問題極大地限制了GO基膜蒸發系統的實際應用。針對這些挑戰，研究者正在不斷探索新型太陽能界面蒸發系統的優化方案。

圖：Janus蒸發器的設計策略

基于此，呂滎賓課題組在《Separation and Purification Technology》發表的最新研究成果利用了一種創新的多尺度熱質協同調控策略成功構建了PGO-Ag復合膜/PVA-PAM水凝膠的Janus蒸發器。在微觀尺度上，研究團隊采用化學刻蝕對GO納米片進行造孔改性，制得多孔氧化石墨烯納米片（PGO），通過構建多級孔道實現雙重功能優化：一方面促進光路的多重散射與捕獲（提升光利用效率），另一方面形成快速水分子輸運網絡（縮短擴散路徑）。此外，通過引入具有局域表面等離子體共振（LSPR）特性的銀納米顆粒進一步提升光熱轉換效率，使PGO-Ag復合膜在1個太陽光照下達到98.16%的平均吸光度和63.9 °C的溫升。在宏觀尺度上，研究團隊利用PVA-PAM水凝膠的雙功能特性，既實現了有效的熱隔離，又保障了高效的水分傳輸和鹽分排斥。特別地，通過中心區域宏觀打孔，突破傳統蒸發器的傳質瓶頸，有效消除蒸發死區，強化熱對流效應，最終使PGO-Ag-H1.5蒸發器的蒸發速率和蒸發效率分別達到2.06 kg m-2 h-1和91.93%。這項研究揭示了“少即是多”的設計理念，表明結構優化需平衡“添加”與“去除”，為偏遠地區淡水供應提供了重要的實際應用價值。

圖1. Janus蒸發器的制備示意圖

圖2. Janus蒸發器的形貌表征

圖3 Janus蒸發器上層光熱復合膜表征

圖4. Janus蒸發器上層復合膜的光熱性能優化

圖5. Janus蒸發器的界面蒸發性能

圖 6. Janus蒸發器的熱管理行為仿真

圖 7. Janus蒸發器的脫鹽性能及長期穩定性

圖 8. Janus蒸發器的戶外實驗

【通訊作者介紹】

呂滎賓，博士，碩士生導師，畢業于四川大學化學工程學院，2022年2月進入西南民族大學化學與環境學院工作。研究方向為二維膜材料與膜過程、傳質與分離、太陽能界面蒸發材料。

近年來主持四川省自然科學基金青年基金項目等5項科研項目，以第一作者或通訊作者在國內外學術期刊Chemical Engineering Journal, Journal of Colloid and Interface Science, Separation and Purification Technology, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Power Sources等國際知名期刊發表學術論文20余篇。

郵箱：lvxingbin@swun.edu.cn

原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.134617

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