全球日益嚴重的水資源短缺和當前海水淡化技術的高碳足跡促使人們尋求一種替代的低成本和可持續的解決方案。膜蒸餾（MD）是一種簡單的過程，它利用熱量驅動蒸汽通過多孔疏水膜，并在滲透液中獲得清潔和新鮮的水，而液態水則被表面疏水性阻擋。使用低品位熱量的潛力使MD成為一種很有前途的低成本和可持續的海水淡化技術。MD也是許多零排放可持續工藝中的關鍵技術，原則上MD可以100%收獲來自受污染或高鹽度水域的水。報道的MD膜通常由疏水聚合物制備如聚丙烯（PP）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯 (PTFE)。然而，這些膜的通量較低。雖然使用夾層、分層或Janus進行結構優化可以改善通量，但迄今為止報告的最佳膜通量仍小于80 LMH，這極大的阻礙了MD膜的實際應用。

　　鑒于此，哈工大馬軍院士團隊和沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）賴志平教授團隊報告了一種制備超高通量納米多孔石墨烯（NG）膜的新工藝，無需合成后的孔生成和轉移過程。該NG膜是通過在高度多孔的陽極氧化鋁載體的頂部邊緣選擇性地形成，這為水蒸氣而不是液體創造了短而快速的傳輸路徑。在65℃/25℃的溫度下水通量為421.7 Lm^-2 h^-1，這比迄今為止任何其他報道的MD膜都要高一個數量級且脫鹽率高于99.8%。理論分析表明，高水通量主要是由于高地表孔隙率和薄間隙。使用在陽光直射下加熱的紅海水進行的戶外現場測試表明，從上午8點開始到晚上8點，膜的平均水通量為86.3 Lm^-2h^-1。這種超高通量納米多孔石墨烯膜顯示出在海水淡化中實際應用的巨大潛力。相關工作以“Ultrahigh-flux Nanoporous Graphene Membrane for Sustainable Seawater Desalination Using Low-grade Heat”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

　　納米多孔石墨烯膜的制備與表征

　　使用陽極氧化鋁（AAO）圓盤作為支撐，其具有垂直對齊的直通道，平均孔徑為32nm，表面孔隙率為38%（圖1）。在第一步中，AAO通道完全由光刻膠填充。其次，頂部表面被氧等離子體蝕刻以暴露頂部邊緣。之后，去除通道內的光刻膠。本階段獲得的樣本稱為Ni-AAO。將樣品暴露于全氟癸基三氯硅烷（FDTS）蒸汽中以接枝單層涂層并表示為FDTS-AAO。最后，樣品在高溫下燒結。在燒結過程中，沉積在鎳表面的FDTS在鎳粉的催化作用下轉化為石墨烯，而其他地方的FDTS則發生熱分解。最終的膜結構包括僅在AAO支撐體的頂部邊緣形成的超薄石墨烯層。膜被命名為NG或NG-XXX，其中XXX代表燒結溫度。石墨烯層形成疏水間隙，阻止液態水的傳輸，但允許水蒸氣通過。NG-800膜的平均表面孔徑和表面孔隙率分別為~26.8 nm和~28%。NG膜的表征結果表明800℃的溫度被認為是最佳的熱解溫度（圖2）。

圖1納米多孔石墨烯膜的制備

圖2納米多孔石墨烯膜的表征

　　多孔石墨烯膜的水滲透測試與性能比較

　　作者測量了AAO、FDTS-AAO和NG-800膜的水接觸角（圖3）。AAO支撐的兩側具有~18.2°的小接觸角。FDTS-AAO的接觸角為~151.2°。NG-800膜在每一側具有不同的接觸角。石墨烯面接觸角為95.2°，表明石墨烯具有微疏水性。背面的接觸角接近AAO支撐體的接觸角，因此它是親水的。AAO、FDTS-AAO和NG-800膜的水滲透行為表明，水可以從親水性AAO側進入通道但不能從疏水性石墨烯層側進入。兩股水流之間有一道很細的縫隙。動態鹽擴散測試表明，FDTS-AAO和NG-800膜具有良好的脫鹽率。NG-800膜的脫鹽率接近100%。T為40°C時的水通量約為421.7 LMH（圖4）。而幾種具有新型結構（分層纖維復合膜）或先進材料（氧化石墨烯和碳納米管）的MD膜僅顯示出50-75 LMH的相對高通量。NG膜的通量幾乎比迄今為止報告的最佳結果高出一個數量級。此外，即使在40°C的非常低的進料溫度下，NG膜也表現出163.4 LMH的高水通量。

　　圖3 水滲透測試

　　圖4 MD膜的性能及比較

　　陽光直射下的紅海水淡化

　　為了證明NG膜實際適用性，作者在室外條件下使用太陽能加熱對紅海的海水進行了海水淡化（圖5）。紅海水在水箱中通過陽光直射加熱，然后被送入膜電池的石墨烯側。使用循環冷卻器將冷流保持在25°C。從上午8點到晚上8點，溫暖的海水溫度從27°C變化到41°C。在此期間，NG-800 膜的水通量為20至100 MH，平均產水量為86.3 LMH，而脫鹽率始終高于99.8%。商業PTFE MD膜在相同條件下進行了測試，但它的平均水通量僅為4.1 LMH。根據實測性能，預計1 m²的NG-800膜理論上可以每半天產生足夠的淡水，以滿足典型家庭的日常用水需求。

　　圖5 利用陽光直射輻射淡化紅海水

　　小結：作者成功開發了一種通過催化熱解固體碳源制備超薄NG膜的工藝。NG膜在很大程度上繼承了載體的高孔隙率，無需底物轉移和合成后孔生成。固體碳源的使用實現了將膜厚度精確控制到納米級。產生的超薄疏水間隙可分離水流以允許快速輸送蒸汽但不輸送液態水。在65℃/25℃溫和溫度對的直接接觸膜蒸餾模式下，納米多孔石墨烯膜的平均水通量為421.7 Lm^-2 h^-1，脫鹽率超過99.8%，高于任何報道的聚合物膜。室外測試表明，從上午8點到晚上8點，在陽光直射下平均達到86.3 LMH水通量。這項工作提供了一種有前途的低成本和可持續的海水淡化工藝。