受人口增长、环境污染以及气候变化等因素影响，全球水资源短缺压力不断增大，海水淡化已经成为缓解淡水危机的重大需求。传统的海水淡化方法（如反渗透和多级闪蒸）通常在高压或高温下操作，存在能耗较高的问题。中/低温差驱动的海水淡化技术，如膜蒸馏技术，可以利用低品位热源驱动蒸发过程，从而显著降低能耗、提高能源利用效率。膜材料作为膜蒸馏系统的核心部件，直接影响膜蒸馏系统的传质效率、通量和稳定性。因此，对膜材料进行结构优化，开发具有高水通量和低蒸发焓的膜蒸馏用膜有望降低系统运行成本，推动膜蒸馏技术的广泛应用。

近期，大连理工大学化工学院膜科学与技术团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Insights Into Janus Interfaces with Ordered Micro/Nanostructures for Low-Temperature Differential Evaporation”的文章。本工作设计了一种具有有序微/纳米孔的Janus膜结构，通过理性调控膜材料的微纳结构和界面性质，用于低温差下（△t＜20℃）的膜蒸馏海水淡化过程强化，并进一步揭示了膜界面复合结构对中间态水分子传输、微纳米尺度的蒸发相变的影响机理。

首先，研究团队采用单侧浸泡法，制备了系列不同孔径及接触角梯度变化的Janus膜。随后，通过SEM、AFM、XPS、WCA等表征手段，证实了具有有序排列垂直孔道及不对称润湿性Janus膜的成功制备（图1）。随后，基于自主设计的低温差膜蒸馏装置，探究了Janus膜对水蒸发速率的影响。实验结果表明，Janus膜通量表现出明显的孔径和接触角依赖性，随着孔径及接触角的下降，通量表现出增加的趋势。优化的Janus (20 nm)_95°/25° 膜在45℃（进料侧）/25℃（渗透侧，常压）下的蒸发通量达2.4 kg m⁻² h⁻¹，达到纯水界面蒸发的2.5倍，理论蒸发焓仅为纯水蒸发的30%（图2）。

图1 有序微纳结构Janus膜的制备与表征

图2 有序微纳结构Janus膜促进水分蒸发性能

随后，研究团队运用化学表征、理论计算和流体力学动态模拟阐明了Janus膜促进水蒸发的潜在机制。Janus膜的亲水性底层的直通孔道具有强大的毛细作用力，水蒸发界面被推进到孔内亲/疏水界面处，最大限度地缩短了蒸汽传输路径；在表面张力及壁面效应的作用下，水在孔内呈现凹液面，靠近壁面形成的薄水层具有类似于“纳米壁炉”的效应，水分子可以更快地获得热能，并以更快的速度转化为气态状态，进而促进水的蒸发过程；具有丰富羟基的孔壁破坏了主体水分子之间的氢键，将水分隔成小团簇，促进了中间水的生成，显著降低了蒸发焓；流体力学模拟表明，随着孔径的减小，微尺度涡流的形成受到抑制，抑制了中间水的返混，促进了水的蒸发（图3）。

图3 Janus膜促进水蒸发的“纳米壁炉”传热强化（左）与微尺度涡流抑制机理（右）

本研究开发了一种新型微/纳米直通孔道Janus膜，其能够在低温差下显著提高水蒸发速率，进而揭示了一种通过协同调控膜微/纳米结构和润湿性来强化蒸发的新策略。结果表明，在Janus膜孔内，凹液面增加了薄水层的比例，从而增强了壁面处的微尺度传热；较小的纳米孔限制了液气界面微尺度涡旋的发展，并防止了界面处中间水的返混，促进了水的蒸发。这种设计策略和强化机制为未来的微纳米结构薄膜在海水淡化和水处理领域的应用提供了重要的指导和理论基础，对于开发高效低能耗的海水淡化技术具有潜在的重要意义。

该论文共同第一作者为大连理工大学化工学院博士生孙冰和吴梦园博士（已入职华北电力大学），通讯作者为大连理工大学化工学院贺高红教授、姜晓滨教授和贾元东博士后。该研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金项目和大连市科技人才创新支持计划的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202406272