河北工业大学张盼盼/纪志永&清华大学曲良体《自然·通讯》: 致密化光热膜界面构筑限域水选择性通道，实现复杂废水高效快速净化

第一作者：李婕

通讯作者：张盼盼教授、纪志永教授、曲良体教授

通讯单位：河北工业大学、清华大学

论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75847-3

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太阳能驱动界面蒸发（SDIE）作为一种可持续、碳中和的淡水获取技术，展现出广阔的应用前景。然而，对于化工和电子制造等行业产生的富含高浓度盐离子和强极性挥发性有机化合物（VOCs）的复杂废水，同时实现高蒸发速率和高效污染物去除仍然面临巨大挑战。针对上述挑战，河北工业大学张盼盼教授、纪志永教授和清华大学曲良体教授合作，开发了具有限域水选择性通道的致密化光热膜用于复杂废水的高效快速净化（图1）。通过对石墨烯结构进行机械压缩并合理选择亲水性聚合物，对DPM层间纳米结构与化学环境实现分子级精准调控。凭借空间位阻效应与化学选择性的协同作用，该结构在促进选择性水传输的同时，能够有效阻隔高浓度离子及强极性VOCs。实验表明，该材料在1 kW m−2的太阳光强度照射下蒸发速率高达2.58 kg m−2 h−1，在20 wt%的高盐溶液中对DPM10-PAMPS进行200 h的长时间稳定性测试，仍能保持1.50 kg m−2 h−1的稳定水蒸发速率，表现出优异的耐盐性和使用寿命。在处理常见的VOCs（如苯、甲苯、酚类，截留率˃99.99%）及强极性VOCs（如乙醇、异丙醇、正丁醇，截留率˃99.0%）的复杂高浓度水体中实现出高效的水净化能力。相关论文以“Confined water-selective highways in a densified photothermal membrane enable ultrafast purification of complex wastewater”为题，发表在Nature Communications上。

图1 | DPM具有限域水选择性通道，用于含高浓度离子和强极性VOCs废水的超快净化。

背景介绍

严重的水资源短缺正成为日益严峻的全球性挑战，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术凭借其清洁、低能耗的特点，为生产洁净水提供了环保的解决方案。近年来，研究人员开发了多种新型光热材料用于复杂废水的处理。但在实际应用中，尤其是处理源自石油化工、制药和电子制造等关键产业的高盐度、强极性复杂废水时往往会遇到一定困难。一方面，在蒸发过程中非挥发性污染物不会随水分子蒸发，而且容易在光热材料表面结晶沉积，大大降低水蒸发速率，影响光热材料的使用寿命；另一方面，常见的VOCs（如苯、甲苯、苯酚）以及极性极强的醇类（如乙醇、异丙醇、正丁醇）因与水分子间存在强相互作用，其复杂的物理化学特性使得它们与水的分离极为困难。如何在实现高蒸发速率的同时，高效排除盐离子和多种VOCs，并保持长期稳定性，是当前SDIE技术走向实际应用的重要挑战。

本文亮点

1. 提出了“机械压缩-化学修饰”协同策略，在致密化光热膜界面精准构建限域水选择性通道。通过对DPM层间纳米结构与化学环境的分子级精准调控，使得DPM在促进选择性水传输的同时，凭借空间位阻效应与化学选择性的协同作用，实现高浓度离子及强极性VOCs的有效阻隔与筛分。

2. 实现高蒸发速率和高效污染物去除的协同提升。通过空间位阻与化学选择性的协同作用，DPM在20 wt%的NaCl溶液中连续运行超过200 h后，仍表现出优异的耐盐性和使用寿命。此外，DPM还表现出优异的水传输选择性，即使在高浓度污染条件下，仍能够高效去除芳香族VOCs（如苯、甲苯和苯酚，去除率>99.99%）以及强极性醇类VOCs（如乙醇、异丙醇和正丁醇，去除率>99.0%）。

3. 搭建了室外放大装置，验证了实际应用的可行性。在冬季低太阳辐照和低温环境下，利用有效蒸发面积为0.04 m2的放大装置处理含有高浓度混合盐离子及多种VOCs的混合废水，所有污染物去除率均超过99.3%，对于推动高性能SDIE技术在复杂水体净化中的发展具有重要意义。

图文解析

材料设计与微观结构表征

实验过程中将氧化石墨烯（GO）分别与四种不同官能团的亲水性聚合物（丙烯酰胺PAAm、海藻糖Tre、海藻酸钠SA、AMPS）混合均匀，通过定向预冻和冷冻干燥获得有互连多孔结构的三维GO/亲水聚合物气凝胶材料，再经机械压缩（5−15 MPa）、热退火和化学交联，制备出具有稳定机械性能的致密化光热膜（DPM）（图2a）。机械压缩后，三维石墨烯泡沫的厚度明显减小，转变为致密的二维膜结构（图2b）。SEM图像显示，材料的层间纳米结构随着机械压缩强度的增加而逐渐减小，表现出更紧凑的结构（图2c、d）。FTIR（图2e）、EDS（图2f）和XPS（图2g、h）等表征手段证实，亲水性官能团−CONH2、−OH、−COO−和−SO3−在膜材料上的成功负载。

图2 | 制备过程及表征。a DPM的制备流程图。bDPM10-PAMPS样品经机械压缩前（左）与后（右）的照片。c PM0-PAMPS和（d）DPM10-PAMPS在不同放大倍数下的SEM图像。e DPM10-PAAm、DPM10-Tre、DPM10-SA和DPM10-PAMPS的FTIR图。f DPM10-PAMPS的EDS分析图。DPM10-PAMPS的（g）C 1s和（h）S 2p高分辨率XPS谱图。

致密化光热膜界面限域水选择性通道的设计理念

静电势分布图和DFT计算表明，PAMPS分子中高密度的−SO3−基团能与水分子形成强离子-偶极作用，其结合能（84.86 kJ mol−1）远高于SA-水（75.37 kJ mol−1）、Tre-水（61.46 kJ mol−1）和PAAm-水（49.48 kJ mol−1），为优先输运水分子提供了丰富的结合位点（图3a、b）。在所有样品中，DPM10-PAMPS表现出最高的饱和含水量（0.73 g g−1），表明其对水分子的亲和力最强（图3c）。DSC热分析显示在DPM10-PAMPS中同时存在可冻结水和不可冻结水（图3d、e）。且随着亲水聚合物与水分子相互作用逐渐增强，DPM内部可冻结水数量（Nfw，包括IW和FW）呈逐渐增加的趋势，在分子尺度证实，在限域水选择性传输通道内仅形成了少数几层由小尺寸水团簇组成的水结构，从而有利于水分子快速、动态地输运至光热界面，实现快速蒸发。拉曼光谱进一步验证DPM10-PAMPS具有最高的IW/FW比值（0.164），表明其与水分子之间具有更强的相互作用，更有利于IW的形成（图3f）。而中间态水含量的增加能够促进水分子的活化，并降低水蒸发所需能量，大大降低了水蒸发焓（仅为1224.30 J g−1，远低于纯水的2440.0 J g−1）（图3g、h）。得益于石墨烯层间纳米结构与精准调控的化学环境，层间亲水性官能团与水分子之间具有强相互作用，可以构建稳定的水合结构及水选择性通道，利于水分子的快速传输。

图3 | DPM10-X中限域水选择性通道的构筑。a、b PAAm-水、Tre-水、SA-水和PAMPS-水的分子模型及相应的结合能（H、C、N、O、Na、S分别以白、灰、蓝、红、紫、黄色表示）。c PF0-PAMPS和DPM10-X的饱和水含量。PF0-PAMPS和DPM10-X中水及冻结水的（d）DSC熔融曲线和（e）融冰焓计算结果。f DPM10-PAMPS的拉曼光谱及拟合曲线。PF0-PAMPS和DPM10-X中水与水的（g）DSC热分析图及（h）计算蒸发焓。

高盐废水处理性能

具有限域水选择性传输通道的DPM能够实现对水传输行为的精准调控，有效降低热能损耗并增强蒸发性能。在光热界面的限域传输通道内，水分子形成由少层氢键网络构成的薄水层结构，其传输行为明显快于具有长程氢键网络的体相水（图4a）。相比PF0-PAMPS，DPM10-PAMPS具有更高程度致密化的层间纳米结构，光学显微镜图像进一步表明，水在材料中主要呈现薄层状态而非体相水积聚（图4b）。在1 kW m−2光照条件下，DPM10-PAAm、DPM10-Tre、DPM10-SA和DPM10-PAMPS的表面温度在5 min内迅速升高，并稳定在51.5−52.5 °C（图4c）。XRD分析显示，DPM10-X的层间间距保持在6.31−6.41 Å的狭窄范围内（图4d），可以有效地排除水合Na+（水合半径3.58 Å）和水合Cl-（水合半径3.32 Å）等水合盐离子，同时允许高效的水分子传输（图4e）。在1 kW m−2光照条件下，DPM10-PAMPS在纯水中蒸发速率达2.58 kgm−2 h−1，能量转化效率为87.74%（图4f）。即使在20 wt%高浓度NaCl溶液中，仍保持1.50 kg m−2 h−1的高水蒸发速率（图4g）。在含多种重金属离子（Cr3+、Pb2+、Zn2+、Ni2+、Cu2+）的混合高盐溶液中，仍能保持1.76−2.13 kgm−2 h−1的水蒸发速率（图4h）。为了评估DPM10-PAMPS在高盐度环境（20 wt%的NaCl溶液）中的长期运行稳定性，在1 kW m−2光照条件下进行了连续水蒸发测试，经过200 h的持续测试，DPM10-PAMPS仍能保持1.50 kg m−2 h−1的稳定水分蒸发速率，表现出优异的耐盐性和使用寿命（图4i）。

图4 | SDIE性能及多种高盐溶液处理。a、b DPM10-PAMPS中限域水选择性通道示意图及水状态光学显微镜图像。c 纯水和DPM10-X的表面温度。d DPM10-X的XRD光谱图。e DPM10-X的高效耐盐性能示意图。f 1 kW m−2光照下纯水和DPM10-X的水蒸发速率。g DPM10-PAMPS在不同浓度盐溶液中的水蒸发速率。h DPM10-PAMPS在含不同重金属离子的高盐溶液中的水蒸发速率。i 1 kW m−2光照下DPM10-PAMPS在高盐（20 wt% NaCl）溶液中的长时间水蒸发速率。

VOCs去除性能及机理验证

针对DPM10-PAMPS对复杂废水的水净化性能测试，采用定制密封装置（有效蒸发面积：20 mm × 20 mm）在模拟太阳光照射条件下进行测试。在太阳辐射作用下，DPM10-PAMPS界面温度升高，为选择性水蒸发提供驱动力，其中−SO3−亲水基团形成稳定水合结构和连续的限域水选择性通道，膜内部进一步形成稳定水合结构和连续的限域水选择性传输通道。该限域通道优先吸附并快速输运水分子，而VOCs分子进入通道则需要克服更高的结构重排能垒，从而显著限制其扩散行为，实现水/VOCs体系中VOCs的高效排阻（图5b）。DFT计算表明，PAMPS与水分子间的相互作用能远强于其与苯、甲苯、苯酚、正丁醇、异丙醇和乙醇等VOCs分子的相互作用能（图5c、d）。在水/乙醇混合体系中，分子动力学模拟显示DPM10-PAMPS在有效排除乙醇的情况下表现出优先的水传输（图5e），水分子在膜中的扩散系数（5.057×10−10 m2 s−1）远高于乙醇分子（0.667×10−10 m2 s−1）（图5f）。同时，不同位置处水分子和乙醇分子的密度分布曲线表明，仅有水分子能够选择性地通过DPM10-PAMPS传输，而乙醇分子则被有效截留（图5g）。

图5 | DPM10-PAMPS的VOCs分离装置设计及机理研究。a 用于净化水/VOCs溶液的定制密封装置照片及示意图。b DPM10-PAMPS中限域水选择性通道实现VOCs高效去除的机制示意图。c、d PAMPS-苯、PAMPS-甲苯、PAMPS-苯酚、PAMPS-正丁醇、PAMPS-异丙醇和PAMPS-乙醇的分子模型及相应结合能（H、C、N、O、Na、S分别以白、灰、蓝、红、紫、黄色表示）。e DPM10-PAMPS净化水/乙醇的分子动力学模拟快照（石墨烯、PAMPS、水、乙醇、Na+分别以绿、橙、青、品红、紫色表示）。f 水/乙醇处理分子动力学模拟中水和乙醇分子随时间的均方位移曲线。g 水/乙醇分离分子动力学模拟中不同位置处水分子和乙醇分子的密度分布曲线。

分离性能与长期稳定性

实验中测试了DPM10-PAMPS在不同浓度的水/芳香族VOCs（苯、甲苯和苯酚）混合体系中的分离性能。在所有测试浓度中，DPM10-PAMPS表现出较高的水蒸发速率以及高达99.99%的优异VOCs去除效率（图6a−c），净化后水中残留浓度远低于世界卫生组织和美国环保署规定的健康饮用水标准。对于强极性的醇类VOCs，设置30−90 wt%的浓度梯度，DPM10-PAMPS表现出优异的水选择性传输能力，实现了较高的水蒸发速率。收集液的水含量为99.50−99.72 wt%（去除率＞99.0%），显示出其出色的分离能力，分离因子分别高达2638（水/乙醇）、2186（水/异丙醇）和2299（水/正丁醇）（图6d−f）。在醇类VOCs分离方面，与已经报道的材料相比表现出更加优异的性能（图6g–i）。连续200小时长期测试显示，DPM10-PAMPS对苯酚和乙醇仍能够保持高效的去除能力（图6j、k），XRD分析进一步证实，DPM10-PAMPS的层间距仍稳定保持在6.29−6.41 Å的狭窄范围内，具有优异的VOCs去除性能（图6l），充分证明了DPM10-PAMPS具有优异的结构稳定性和化学稳定性。

图6 | DPM10-PAMPS对VOCs的分离性能。a−c 1 kW m−2光照下DPM10-PAMPS对水/芳香族VOCs中苯、甲苯和苯酚的去除率。d−f DPM10-PAMPS对于水/乙醇、水/异丙醇、水/正丁醇体系的分离因子。g−i与其他已报道膜材料在水/醇类VOCs分离性能上的对比。j、k 在SDIE中，DPM10-PAMPS长期处理水/苯酚和水/乙醇体系时的VOCs去除效率。l DPM10-PAMPS在处理水/苯酚和水/乙醇体系前后的XRD谱图。

室外放大性能验证

为评估DPM10-PAMPS在处理高难度复杂废水中的实际应用潜力，实验过程中设计了有效蒸发面积为0.04 m2的放大装置（图7a），处理含有高浓度混合盐离子（Na+ 50,000 ppm、Cu2+50,000 ppm）以及甲苯（500 ppm）、苯酚（1000 ppm）、乙醇（50,000 ppm）和正丁醇（50,000 ppm）的复杂废水。于2025年11月2日（9:00−17:00）天津户外条件下进行了室外测试，实时监测环境温度、太阳辐照强度、表面温度以及水蒸发速率等参数（图7b、c）。结果表明，DPM10-PAMPS的表面温度明显高于复杂废水体系，并且即使在较低太阳辐照强度和较低环境温度条件下，仍表现出较高的水蒸发速率（图7d）。得益于空间位阻效应与化学选择性的协同作用，DPM10-PAMPS能够促进水分子的选择性传输，同时有效阻隔多种高浓度离子和强极性VOCs（图7e）。即使在冬季低太阳辐照和低温环境下，基于DPM10-PAMPS的装置仍可从复杂废水体系中实现5.75 kg m−2 day−1的清洁水收集量，且对Na+、Cu2+、甲苯、苯酚、乙醇和正丁醇的去除效率分别达到99.99%、99.99%、99.97%、99.99%、99.40%和99.36%（图7f）。

图7 | DPM10-PAMPS室外放大应用性能验证。a 用于室外环境下处理复杂废水的大型装置实物照片。b 天津市2025年11月2日9：00−17：00的环境温度和室外太阳光照射强度。c、d DPM10-PAMPS相应的表面温度和水蒸发速率。e 净化前后含有各种盐离子和VOCs的复杂废水照片。f DPM10-PAMPS净化复杂废水前后各污染物的浓度及去除效率。

总结与展望

本研究通过对石墨烯结构进行机械压缩并合理选择亲水性聚合物，实现DPM层间纳米结构与化学环境的分子级精准调控，成功构建了一种具有限域水选择性传输通道的致密化光热膜。DPM在促进选择性水传输的同时，凭借空间位阻效应与化学选择性的协同作用，能够有效阻隔高浓度离子及强极性VOCs。研究表明，通过纳米尺度结构限域与化学微环境精准调控，可显著提升太阳能驱动界面蒸发技术的实际应用性能，为高盐度及VOCs污染废水的高效净化提供了新的设计思路和技术支撑。

Confined water-selective highways in a densified photothermal membrane enable ultrafast purification of complex wastewater.

https://doi.org/10.1038/s41467-026-75847-3

作者介绍

张盼盼（通讯作者），河北工业大学化工学院，准聘教授，博士生导师，省级杰出人才。博士毕业于清华大学，美国德州大学奥斯汀分校访问学者。聚焦光热界面精准调控用于高效水净化与资源提取的研究，以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano Lett.等发表论文40余篇，累计发表论文80余篇，总引用超7200次，ESI高被引论文8篇，热点论文1篇，封面论文3篇，研究成果被Nat. Nanotechnol.以亮点工作报道。主持国家自然科学基金面上和青年项目、河北省自然科学基金青年科学基金项目（A类和B类）、天津市自然科学基金青年项目B、教育部“春晖计划”合作科研项目、青海大学部省合建盐湖化工大型系列研究设施开放课题项目等9项。担任Nano-Micro Lett.、Sep. Purif. Technol.、Chinese Chem. Lett.、Carbon Neutraliz.、Exploration、《材料导报》等期刊青年编委。

纪志永（通讯作者），纪志永，教授，博士生导师。2007年于天津大学化学工程专业获博士学位后入职河北工业大学至今，现任海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心主任兼化工学院副院长。河北省教学名师、“燕赵黄金台聚才计划”学科领军人才，山东省泰山产业领军人才，以及河北省杰出青年科学基金获得者等。全国石油和化工教育优秀教学团队带头人，天津市优秀研究生指导教师。兼任全国海洋标准化技术委员会海水淡化与综合利用分技委委员，中国海洋学会海水资源利用专委会委员，中国化工学会工业水处理专委会委员，中国膜工业协会电驱动膜专委会委员等；石化工业水处理国家工程实验室技术委员会委员；《Desalination and Water Treatment》《材料导报》《工业水处理》编委等。主要从事离子分离与战略稀缺资源开发利用，主持承担国家重点研发计划课题、国家自然科学基金联合基金重点项目等；获河北省技术发明一等奖、自然科学二等奖、科技进步二等奖，天津市科技进步一等奖和二等奖等；制定国标和行标各1项，出版著作2部，授权发明专利20多件。

曲良体（通讯作者），清华大学化学系教授，博士生导师，国家“百千万人才工程”、“万人计划”科技创新领军人才、教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者。围绕碳纳米材料、石墨烯、碳纳米管、导电与功能高分子的可控制备、功能修饰与组装开展研究，探究其在先进功能材料、高效能量转化与储存等方面的应用。研究领域涉及纳米与材料化学、电化学、绿色能源、柔性电子与储能器件等，例子包括石墨烯超结构、智能响应高分子、海水淡化、空气发电、新型电化学电池/电容器、微型能源器件及柔性器件等。在Science (1), Nature (1), Nature Nanotechnology (2), Nature Water (1), Science Advances (5), Nature Communications (22), Advanced Materials (38), JACS (3), Angewandte Chemie (15), Energy Environmental Science (18)等国际重要期刊发表SCI论文500多篇，论文他引超50000余次，单篇论文最高他引超3000次。受邀请在Nature Reviews Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews等撰写综述论文50余篇，专著1部，国际国内发明专利40余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。曾主持国家重点研发计划、基金委重点项目等多项。曾获国家自然科学二等奖1项（第二获奖人），获教育部自然科学一等奖1项（第五获奖人）等。

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