针对上述挑战，河北工业大学纪志永教授、张盼盼副教授和清华大学曲良体教授合作，研发了一种名为“致密化光热膜（DPM）”的新型材料，其内部构建了具有分子级精度的“受限水选择性通道”（图1）。该材料通过机械压缩和亲水性聚合物的理性选择，实现了层间纳米结构和化学环境的精确调控。凭借空间位阻与化学选择性的协同效应，DPM能够优先输运水分子，同时有效阻隔高浓度盐离子和强极性VOCs。实验表明，该材料在1个太阳光强下蒸发速率高达2.58 kg m⁻² h⁻¹，在近饱和盐水（20 wt%盐度）中可稳定运行超200小时，对苯、甲苯、苯酚等常见VOCs的去除效率超过99.99%，对乙醇、异丙醇、正丁醇等强极性VOCs的去除效率也超过99.0%。户外规模化实验进一步验证了其处理复杂废水的实际潜力。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具有受限水选择性通道，用于超快净化含高浓度盐离子和强极性VOCs废水。通过调节机械压缩强度和亲水性聚合物官能团种类，精确调控DPM的层间纳米结构和化学环境。

材料设计与微观结构表征

研究团队采用氧化石墨烯（GO）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，通过水平方向冷冻干燥获得三维骨架，再经机械压缩（5–15 MPa）、热退火和化学交联，制备出一系列致密化光热膜（图2a）。扫描电镜图像显示，随着压缩强度从5 MPa增至15 MPa，材料层间纳米结构逐渐收缩致密化，但真空抽滤膜过于致密反而限制水传输（图2c、d）。其中，10 MPa压缩强度下制备的DPM₁₀-PAMPS实现了水传输与热管理的最佳平衡，且该膜可大面积制备，表面呈黑色（图2b），具有优异的光吸收能力（全光谱吸收约97%–98%）。傅里叶变换红外光谱（图2e）、能谱分析（图2f）和X射线光电子能谱（图2g、h）等表征手段证实，-CONH₂、-OH、-COO⁻和-SO₃⁻等亲水基团被成功引入材料层间，为后续构建选择性水通道奠定了基础。

图2 |制备过程及表征。aDPM制备流程示意图。bDPM₁₀-PAMPS样品机械压缩前（左）与压缩后（右）照片。cPM₀-PAMPS和dDPM₁₀-PAMPS不同放大倍数下的扫描电镜图像。eDPM₁₀-PAAm、DPM₁₀-Tre、DPM₁₀-SA和DPM₁₀-PAMPS的傅里叶变换红外光谱。fDPM₁₀-PAMPS的能谱分析图，gC1s和hS2p X射线光电子能谱。

“受限水选择性通道”的构建机理

研究进一步揭示了DPM₁₀-PAMPS中“受限水选择性通道”的形成机制。静电势分布图和密度泛函理论计算表明（图3a），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）（图3b），为优先输运水分子提供了丰富的结合位点。差示扫描量热法（图3d、e）和拉曼光谱分析（图3f）显示，在DPM₁₀-PAMPS中，水分子主要以“中间水”和“自由水”的形态存在，其中“中间水”与“自由水”比值高达0.164，表明材料内部仅形成少数几层水分子簇，这种受限结构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），从而显著加速了水分子向蒸发表面的动态输运。

图3 |DPM₁₀-X中受限水选择性通道的探究。a、bPAAm-水、Tre-水、SA-水和PAMPS-水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）。cPF₀-PAMPS和DPM₁₀-X的饱和水含量。d熔化行为差示扫描量热曲线及ePF₀-PAMPS和DPM₁₀-X中水与冻结水的计算熔化焓。fDPM₁₀-PAMPS的拉曼光谱及拟合曲线。g差示扫描量热热分析图及hPF₀-PAMPS和DPM₁₀-X中水与水的计算蒸发焓。

高盐废水处理性能

在受限水通道的作用下，水分子在光热界面形成少层氢键网络，其传输速率远超体相水（图4a）。DPM₁₀-PAMPS的比热容远低于体相水和未压缩的三维泡沫材料，光学显微镜图像进一步证实水在材料中主要呈现薄层状态而非体相水积聚（图4b），意味着其能更快升温并实现界面热局域化。光照下，其表面温度可在5分钟内稳定在51.5–52.5 °C（图4c）。X射线衍射分析显示，该膜层间距保持在6.31–6.41 Å的狭窄范围（图4d），这一尺寸足以有效排斥水合钠离子（水合半径3.58 Å）和氯离子（3.32 Å），同时允许水分子通过（图4e）。在1个太阳光强下，DPM₁₀-PAMPS在纯水中蒸发速率达2.58 kg m⁻² h⁻¹，能量转化效率为87.74%（图4f）；即使在20 wt%近饱和盐水中，蒸发速率仍维持在1.50 kg m⁻² h⁻¹（图4g）。在含多种重金属离子（Cr³⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺）的混合高盐溶液中，蒸发速率也保持在1.76–2.13 kg m⁻² h⁻¹之间（图4h）。更为重要的是，该膜在连续200小时的循环测试中性能几乎无衰减（图4i），展现出卓越的耐盐性和长期运行稳定性。

图4 |SDIE性能及多种高盐溶液处理。a、bDPM₁₀-PAMPS中受限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。dDPM₁₀-X的X射线衍射光谱。eDPM₁₀-X高效耐盐示意图。f1 kW m⁻²光照下纯水和DPM₁₀-X的水蒸发速率。gDPM₁₀-PAMPS在不同盐溶液中的水蒸发速率。hDPM₁₀-PAMPS在含不同重金属离子的高盐溶液中的水蒸发速率。i1 kW m⁻²光照下DPM₁₀-PAMPS在高盐（20 wt% NaCl）溶液中的长期水蒸发速率。

VOCs去除性能及机理验证

针对挥发性有机物，研究团队设计了一套密封净化装置（图5a）。在太阳照射下，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极性受限水通道，有效抑制VOCs扩散（图5b）。密度泛函理论计算表明，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），这使得水分子能优先占据通道并快速输运，而VOCs分子则因能垒较高被有效拦截。分子动力学模拟进一步证实（图5e），在水/乙醇混合体系中，水分子在DPM₁₀-PAMPS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），密度分布曲线清晰显示只有水分子能够选择性跨膜通过，乙醇则被完全截留（图5g）。

图5 |基于DPM₁₀-PAMPS的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。bDPM₁₀-PAMPS具有受限水选择性通道高效去除VOCs示意图。c、dPAMPS-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）。eDPM₁₀-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水和乙醇在不同位置的密度分布曲线。

分离性能与长期稳定性

在分离性能测试中，DPM₁₀-PAMPS对不同浓度（100–1000 ppm）的苯、甲苯、苯酚溶液均表现出99.99%的去除效率（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饮用水标准。对于强极性的醇类VOCs，即使在乙醇、异丙醇、正丁醇质量分数高达30–90 wt%的进料液中，该膜仍能实现>99.0%的去除效率，收集水中水质量分数达99.50 wt%以上。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），显著优于此前报道的大多数膜材料（图6g–i）。连续200小时长期测试显示，DPM₁₀-PAMPS对苯酚和乙醇的去除效率几乎不变（图6j、k），其层间结构、化学组成及官能团种类均未发生明显变化，XRD证实层间距仍维持在6.29–6.41 Å（图6l），充分证明了其在实际应用中优异的结构与化学稳定性。

q

图6 |DPM₁₀-PAMPS对常见及强极性VOCs的去除。a–c1 kW m⁻²光照下DPM₁₀-PAMPS对水/芳香族VOCs中苯、甲苯、苯酚的去除率。d–f水/乙醇、水/异丙醇和水/正丁醇分离的分离因子。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、kDPM₁₀-PAMPS在SDIE系统中处理水/苯酚和水/乙醇的长期去除效率。lDPM₁₀-PAMPS在处理水/苯酚和水/乙醇体系前后的X射线衍射光谱。

户外规模化验证

为检验实际应用可行性，团队设计了有效蒸发面积为0.04 m²的放大装置（图7a），在2025年11月2日天津户外条件下进行了全天（9:00–17:00）测试。处理的目标废水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）。即使在冬季低太阳辐照和低温环境下（图7b），基于DPM₁₀-PAMPS的装置仍实现了5.75 kg m⁻² day⁻¹的清洁水收集量（图7c、d），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7e、f）。

图7 |DPM₁₀-PAMPS户外规模化性能验证。a户外处理复杂废水的大型装置照片。b2025年11月2日天津9:00至17:00的环境温度和户外太阳光强。c、dDPM₁₀-PAMPS相应的表面温度和蒸发速率。e净化前后含多种盐和VOCs的复杂废水照片。fDPM₁₀-PAMPS净化复杂废水前后的污染物浓度及去除效率。

总结与展望

该研究通过精准调控纳米尺度结构限域和化学微环境，成功构建了具有“受限水选择性高速公路”的致密化光热膜，实现了对含超高浓度盐离子和强极性VOCs复杂废水的高效、快速净化。这项工作不仅展示了膜材料在分子尺度设计上的巨大潜力，也为SDIE技术走向实际应用、尤其是在高难度工业废水处理领域，提供了切实可行的新思路。随着进一步优化和大规模集成，该技术有望在应对全球水危机和推动可持续水处理产业升级中发挥重要作用。