蒸发材料0326丨西南民族大学SPT论文：调控Janus氧化石墨烯膜中的水分传输-蒸发平衡以提升太阳能脱盐效率

2026年，《Separation and Purification Technology》期刊在线发表了题为“Tuning water-transport-evaporation balance in Janus GO membranes for boosting solar desalination”的研究性论文。PGO -Ag//GO-10膜展现出1.59 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率与90.21%的太阳能蒸汽转换效率，在高盐度条件下仍能保持稳定性能（超过1.09 kg m⁻² h⁻¹），户外环境可实现4.29 L m⁻² d⁻¹的实用淡水收集量。《Separation and Purification Technology》期刊2025年影响因子为9.0，是一份专注于传播在化学与环境工程中用于均相溶液和非均相混合物分离与纯化的新方法的期刊。这包括液体、蒸气和气体的任何分离和/或纯化、资源回收、生物基原料/产品的纯化、碳捕集与分离，但不包括用于分析目的的方法。

摘要

太阳能驱动界面蒸汽发生（SISG）为水净化提供了一种可持续解决方案，但基于氧化石墨烯（GO）的膜蒸发器常面临光吸收有限、热定位不良以及因水分传输与蒸发不匹配导致的盐分积累等问题。通过调控顶层光学与热学特性并优化底层水分传输效率，Janus结构GO基膜已成为 SISG 技术的潜在候选方案。然而Janus膜层在水分传输与蒸发效率之间缺乏平衡调控，制约了进一步改进。本文报道了一种采用两步真空辅助过滤策略制备的Janus结构光热膜(PGO -Ag//GO)：顶部多孔 PGO -Ag层通过银纳米颗粒嵌入实现96.4%的广谱太阳能吸收（基于局域表面等离子体共振效应），底层GO膜厚度经精确调控以实现亲水性水分传输。通过调节Janus层厚度比可实现水分传输与蒸发的动态平衡。优化后的 PGO -Ag//GO-10膜展现出1.59 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率与90.21%的太阳能蒸汽转换效率，在高盐度条件下仍能保持稳定性能（超过1.09 kg m⁻² h⁻¹），户外环境可实现4.29 L m⁻²d⁻¹的实用淡水收集量。本研究通过Janus结构设计展示了一种水热调节策略，并为开发耐用、抗污且高效性高的氧化石墨烯（GO）基蒸发器提供了指导。

研究背景

淡水是人类生存和现代文明发展的基础战略资源。然而，随着全球人口增长、城市化进程加速和工业活动的持续扩张，淡水供需失衡问题日益严峻。为应对水资源危机，各种海水淡化技术应运而生并得到广泛应用，如反渗透（RO）、多级闪蒸（MSF）和低温蒸馏等。然而，这些传统方法存在高能耗、热效率低和二次污染等问题，显著限制了其可持续发展的适应性。作为新兴的绿色低碳解决方案，太阳能驱动的界面蒸汽生成（SISG）技术因其能够克服传统整体加热蒸发的热力学限制而受到广泛关注。通过将太阳能转化为热能并局限在气液界面，SISG技术显著减少了不必要的热损失，将蒸发效率从传统技术的30–45%提升至90%以上。SISG系统的性能在很大程度上取决于光热材料，这些材料负责高效地将太阳辐射转化为热能并局限在蒸发界面。根据其组成和光热转换机制，先进的光热材料主要分为四大类：碳基材料（如石墨烯、多孔碳、碳纳米管）、金属基纳米材料（如金、银）、无机半导体（如Cu₇S₄、Ti₂O₃）和聚合物材料（如PPy、PDA）。石墨烯氧化物（GO）膜因其独特的物理化学性质在SISG应用中脱颖而出，如强亲水性、可调节的层间距和丰富的含氧官能团等。然而，原始GO膜在实际SISG应用中仍面临光吸收不足、热定位不佳以及长期运行中盐结晶导致的蒸汽生成中断等关键挑战。Janus结构工程被证明是克服GO基蒸发器上述限制的有效途径。通过设计具有不对称结构的Janus蒸发器，可以优化光吸收、促进热定位并提高机械稳定性。然而，当前大多数Janus设计主要关注光学和热性能的优化，水传输与蒸发之间的关键不匹配问题鲜有系统解决。水传输与蒸发之间的不匹配会导致严重问题：水传输不足会导致盐结晶，而水传输过快则会在表面形成过厚的水膜，降低蒸发性能。因此，实现顶层和底层水传输的精确控制以建立水传输-蒸发匹配范式，仍是一个未解决的挑战。

研究亮点

• 创新的Janus结构设计：文章报道了一种通过两步真空辅助过滤策略制备的Janus结构光热膜（PGO-Ag//GO），该膜结合了多孔氧化石墨烯（PGO）与银纳米颗粒（Ag）的顶层，以及纯氧化石墨烯（GO）的底层。这种独特的Janus结构实现了光吸收、热定位和水传输性能的优化平衡。
• 优异的光吸收性能：顶层PGO-Ag层通过纳米孔结构和银纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，实现了高达96.4%的宽带太阳光吸收，显著提高了光热转换效率。

图1. (a)Ag-NH₂、 PGO 纳米片及(b) PGO -Ag//GO-x膜制备工艺示意图

总结展望

综上所述，我们成功研制出一种先进的Janus PGO -Ag//GO光热膜材料，其结构包含多孔 PGO 表层（表面修饰银原子）与亲水性氧化石墨烯（GO）底层。 PGO -Ag层通过纳米级孔隙结构和局域表面等离子体共振效应实现96.4%的太阳光吸收率，从而高效完成光热转换并实现热量集中；GO层则确保快速水分传输以维持蒸发过程的动态平衡。通过精确调控两层厚度比，可精准调节水分传输与蒸发过程间的微妙平衡。该设计策略在保持高稳定性的同时，显著提升了实际应用中的性能表现。蒸发性能方面，优化后的 PGO -Ag//GO-10膜展现出显著提升的蒸发速率（1.59 kg·m^-2·h^-1）和90.21%的太阳能转蒸汽效率（在1个太阳光周期下），在高盐度条件下仍能维持超过1.09 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率。该膜还表现出优异的脱盐和脱色性能，户外淡水产量可达4.29 L·m^-2·d^-1。本研究凸显了Janus结构设计在实现高效、耐用且可扩展的太阳能驱动水净化系统中的有效性。

Xinyue Wang, Wanchao Ma, Qi Shi, Tao Yang, Yanmei Zhu, Hairong Yu, Ting Liang, Man Zhang, Xingbin Lv, Changjing Cheng,Tuning water-transport-evaporation balance in Janus GO membranes for boosting solar desalination, Separation and Purification Technology, 391, 2026, 137109, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137109.