文章导读
海水淡化与太阳能制氢长期分属两套装置，系统复杂、能量与传质过程难以协同。西安交大伊春海团队构建柔性陶瓷纳米纤维光催化膜，将膜蒸馏与产氢集成于同一平台，实现74.8 mmol·m⁻²·h⁻¹产氢速率、41.0 L·m⁻²·h⁻¹水通量和99.95%脱盐率，并兼具抗润湿、抗污染及长期稳定性。三维纤维网络如何同时强化光捕获、界面电荷分离与气泡脱附，成为这一水—能协同方案的关键？
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近日，西安交通大学化学工程与技术学院伊春海教授团队与新加坡国立大学Swee Ching Tan教授、香港科技大学Alicia AN教授合作，成功开发出一种基于柔性陶瓷纳米纤维的光催化膜，实现了淡水—氢能协同联产。相关研究成果近日在线发表于国际顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）。
全球淡水短缺与清洁能源需求持续加剧，海水淡化和太阳能制氢分别承担着“水”与“能”两类关键任务。然而，传统海水淡化与光催化产氢通常在不同装置中独立运行，既增加系统复杂度，也难以实现太阳能、热能和界面传质过程的协同利用。若能在同一张膜上同步完成盐水淡化与光催化析氢，将有望构建更紧凑、高效的水-能联产平台。本研究通过静电纺丝、高温煅烧、晶种辅助原位生长及超疏水改性工艺，构筑了自支撑、柔性且具有分级结构的La掺杂ZrO₂/UiO-66-NH₂/CdS陶瓷纳米纤维膜，该膜将膜蒸馏与光催化产氢集成于同一平台，实现了74.8 mmol·m⁻²·h⁻¹的产氢速率、41.0 L·m⁻²·h⁻¹的水通量和99.95%的脱盐率，展现出优异的抗润湿、抗污染及长期运行稳定性。其核心并非简单叠加“膜蒸馏膜”和“光催化剂”，而是将力学稳定、抗润湿、电荷分离、光捕获和气体传质统一到同一三维纤维网络中。
图1 超疏水光催化纳米纤维膜的设计思路及其在海水淡化过程中同步产氢的应用
图2 柔性氧化锆陶瓷纳米纤维膜的构筑流程及结构表征
本研究以La/Zr前驱体/PVP纺丝液静电纺丝，经800 °C煅烧制得柔性ZrO₂纳米纤维膜；再引入ATA晶种层，诱导UiO-66-NH₂定向生长并负载CdS，经低表面能改性获得层级柔性ZrO₂基纳米纤维膜。纤维层负责载体与气体传输，MOF/CdS界面实现光吸收与电荷分离，超疏水表面稳定气-液-固三相界面。图2显示，La³⁺掺杂可抑制t→m相变、稳定纯t相并降低脆性；SEM、XRD、应力–应变及疲劳数据表明，材料在800/1000 °C下仍具良好韧性。在催化层构筑中，ATA首先与ZrO₂纤维表面的Zr中心发生配位，形成均匀晶种层；随后引入ZrCl₄和有机配体进行二次溶剂热生长，使UiO-66-NH₂沿纤维表面定向成核并形成高覆盖度涂层。CdS进一步锚定于MOF表面，构成UiO-66-NH₂/CdS复合异质结。晶种层不仅提高了MOF负载均匀性，更显著增强了催化层与陶瓷纤维之间的界面结合。无晶种样品仅发生零散沉积，在后续磨损中更易脱落，有晶种的ZLUC膜则能在长距离磨损后保持超疏水性。
图3 三维纤维网络增强光捕获和H₂气泡脱附的FDTD与CFD模拟
团队搭建了带石英窗口的真空膜蒸馏-光催化产氢（PTMD）系统。1 sun光照下，真空侧持续移除水蒸气和生成的H₂，可降低气泡遮光和产物传质阻力。光催化陶瓷膜在6 h连续运行中维持约41.0 L m⁻² h⁻¹的水蒸气通量，同时实现74.8 mmol m⁻² h⁻¹的H₂析出速率，收集干气中H₂纯度为98.6 vol%。为区分化学组成与结构贡献，本研究以同负载粉末催化剂涂覆平面PVDF为对照。纤维膜H₂产量448.9 mmol m⁻²，远高于平面膜的232.2 mmol m⁻²。FDTD表明，三维随机纤维通过多次散射、耦合和局域场增强延长光程、拓宽吸收，平面则以镜面反射和表面受限场为主；CFD显示，平面气泡易黏附形成遮光层，纤维气泡可沿开放孔道快速逸出。可见，三维纳米纤维网络兼具“光陷阱”和“气体高速通道”，使光利用、电荷反应与产物移除形成闭环。
伊春海教授团队现有郭佳鑫研究员、何欣平副教授及20余名硕博研究生，长期从事先进膜制备与膜分离技术研究。团队已开发气体分离膜、超疏水疏油膜、阴离子交换膜、陶瓷纳米纤维膜及纳米纤维气凝胶等材料，并在 Nature Communications、Advanced Materials、Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology 等国际权威期刊发表论文90余篇，获授权发明专利10余项；主持国家自然科学基金4项、科技支撑计划子课题1项、科技部重点研发计划子课题3项及多项中外企业合作项目。
本研究的第一通讯单位为西安交通大学化学工程与技术学院，第一通讯作者为郭佳鑫研究员；第一作者林鹏飞博士于2026年毕业于西安交通大学，现就职于崂山国家实验室。该研究得到国家自然科学基金等项目支持，表征测试工作得到了西安交通大学分析测试共享中心的支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adma.74777
伊春海教授个人主页：
https://gr.xjtu.edu.cn/web/chunhai
郭佳鑫特聘研究员个人主页：
https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/0020220155
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