全球日益严重的水资源短缺和当前海水淡化技术的高碳足迹促使人们寻求一种替代的低成本和可持续的解决方案。膜蒸馏（MD）是一种简单的过程，它利用热量驱动蒸汽通过多孔疏水膜，并在渗透液中获得清洁和新鲜的水，而液态水则被表面疏水性阻挡。使用低品位热量的潜力使MD成为一种很有前途的低成本和可持续的海水淡化技术。MD也是许多零排放可持续工艺中的关键技术，原则上MD可以100%收获来自受污染或高盐度水域的水。报道的MD膜通常由疏水聚合物制备如聚丙烯（PP）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯 (PTFE)。然而，这些膜的通量较低。虽然使用夹层、分层或Janus进行结构优化可以改善通量，但迄今为止报告的最佳膜通量仍小于80 LMH，这极大的阻碍了MD膜的实际应用。

鉴于此，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）赖志平教授团队报告了一种制备超高通量纳米多孔石墨烯（NG）膜的新工艺，无需合成后的孔生成和转移过程。该NG膜是通过在高度多孔的阳极氧化铝载体的顶部边缘选择性地形成，这为水蒸气而不是液体创造了短而快速的传输路径。在65℃/25℃的温度下水通量为421.7 Lm^-2 h^-1，这比迄今为止任何其他报道的MD膜都要高一个数量级且脱盐率高于99.8%。理论分析表明，高水通量主要是由于高地表孔隙率和薄间隙。使用在阳光直射下加热的红海水进行的户外现场测试表明，从上午8点开始到晚上8点，膜的平均水通量为86.3 Lm^-2h^-1。这种超高通量纳米多孔石墨烯膜显示出在海水淡化中实际应用的巨大潜力。相关工作以“Ultrahigh-flux Nanoporous Graphene Membrane for Sustainable Seawater Desalination Using Low-grade Heat”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

纳米多孔石墨烯膜的制备与表征

使用阳极氧化铝（AAO）圆盘作为支撑，其具有垂直对齐的直通道，平均孔径为32nm，表面孔隙率为38%（图1）。在第一步中，AAO通道完全由光刻胶填充。其次，顶部表面被氧等离子体蚀刻以暴露顶部边缘。之后，去除通道内的光刻胶。本阶段获得的样本称为Ni-AAO。将样品暴露于全氟癸基三氯硅烷（FDTS）蒸汽中以接枝单层涂层并表示为FDTS-AAO。最后，样品在高温下烧结。在烧结过程中，沉积在镍表面的FDTS在镍粉的催化作用下转化为石墨烯，而其他地方的FDTS则发生热分解。最终的膜结构包括仅在AAO支撑体的顶部边缘形成的超薄石墨烯层。膜被命名为NG或NG-XXX，其中XXX代表烧结温度。石墨烯层形成疏水间隙，阻止液态水的传输，但允许水蒸气通过。NG-800膜的平均表面孔径和表面孔隙率分别为~26.8 nm和~28%。NG膜的表征结果表明800℃的温度被认为是最佳的热解温度（图2）。