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哈工大邵路教授團隊 MSER：先進催化清潔膜 - 當代現狀與未來展望
2025-03-09  來源：高分子科技
關鍵詞：催化清潔膜

  到 2025 年，將有超過 24 億人生活在缺乏清潔水的國家或地區(qū)。壓力驅動膜因其模塊化設計和低碳足跡，在可持續(xù)能源-水系統(tǒng)中發(fā)揮關鍵作用，但傳統(tǒng)膜分離過程受限于污染物去除效率低、污垢累積嚴重，并依賴高能耗、高成本的清洗與后處理。催化清潔膜作為一項新興技術，將催化降解與分離功能相結合，在有效去除污染物的同時，緩解膜污染問題并提升水處理質量。通過在膜表面或內部固定催化劑，這些膜可在過濾過程中實現自清潔，減少催化劑損失并簡化回收。相比于溶液中分散催化劑的方法，催化清潔膜的設計克服了催化劑流失和回收復雜性的難題，為高效、可持續(xù)的水處理提供了更優(yōu)解決方案。



  近日，哈爾濱工業(yè)大學化工與化學學院、城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室成員邵路教授帶領團隊總結了催化清潔膜的研究現狀以及面臨的挑戰(zhàn)，相關論文以Advanced catalytic cleaning membranes: Contemporary status and future prospects為題發(fā)表在Materials Science & Engineering R《材料科學與工程 R》SCI期刊上，期刊影響因子為31.6。該文章共同第一作者為王浩洋和邸建偉，共同通訊作者為楊曉彬副教授、Cher Hon Lau副教授和邵路教授。


圖：先進催化清潔膜


  該綜述首先回顧了先進催化清潔膜的工程基礎與發(fā)展歷程，重點分析了自1968年催化膜概念提出以來，各種催化清潔膜技術的演變及關鍵創(chuàng)新點，并引出了不同刺激響應膜的開發(fā)路線。隨后，從催化機理的角度對現有催化清潔膜進行了系統(tǒng)歸納，涵蓋光催化清潔膜、化學催化清潔膜、電催化清潔膜及壓電等刺激響應型催化清潔膜的催化機制。首先，光催化清潔膜利用紫外或可見光激發(fā)半導體催化劑，產生活性氧物種（如·OH、·O??），從而高效降解污染物。化學催化清潔膜的運行機制主要依賴于高級氧化過程（AOPs），其中催化劑的活化可生成高活性自由基（如·OH、SO?·?），通過氧化還原反應降解持久性有機污染物。電催化清潔膜則通過外加電場驅動電極反應，在膜表面或孔道內生成強氧化性物種，從而有效降解有機污染物并緩解膜污染。此外，壓電催化及其他外部刺激響應型催化清潔膜利用壓電或反壓電效應等刺激響應機制，通過外部能量輸入（如機械應力或水流）激活催化活性，實現污染物降解。本文進一步探討了不同類型催化清潔膜的代表性研究，并系統(tǒng)分析了各類催化機制的特點、適用范圍及局限性，為未來高效催化清潔膜的設計與優(yōu)化提供理論支持。


圖：先進催化清潔膜機理


  接著，闡述了催化清潔膜的催化材料及制造策略，詳細歸納了不同類型催化劑的選擇標準、應用場景及其與膜材料結合的協(xié)同作用，同時舉例分析了各種制備方法的優(yōu)勢及技術挑戰(zhàn)。此外，重點介紹了催化清潔膜在粘附性污染物去除、降解染料及處理新興污染物方面的應用，并據此展望了未來的技術優(yōu)化方向。


圖：催化清潔膜降解新污染物的應用


  論文最后總結并分析了催化清潔膜當前發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)，并針對未來發(fā)展方向提出了應對策略。在新型催化材料的研發(fā)方面，探索適用于催化清潔膜體系的新型納米材料；在載體材料的制備與選擇上，引入3D/4D打印技術，精準構建膜基底，優(yōu)化孔結構和流體通道，以提高催化劑的負載效率和膜的整體性能；設計并開發(fā)集分離、催化和自清潔功能于一體的多功能膜；在應用擴展方面，催化清潔膜可進一步推廣至工業(yè)廢水處理、農業(yè)徑流凈化、醫(yī)療廢水處理及高純水制備等領域，以滿足不同水處理需求并提升其在環(huán)境治理中的應用價值；在工程化應用及商業(yè)化方面，優(yōu)化催化劑制備成本、簡化膜制造工藝，并引入人工智能（AI）技術，以實現膜材料的高通量篩選、結構優(yōu)化和性能調控，從而推動催化清潔膜的大規(guī)模生產與市場化應用；在綠色可持續(xù)發(fā)展方面，關注可再生材料的應用、綠色合成技術的推廣以及膜壽命的優(yōu)化，以降低生產和運行過程中的能耗與污染排放，實現催化清潔膜的環(huán)境友好型發(fā)展。通過多角度探討，描繪了綠色新型催化清潔膜的發(fā)展藍圖，為提升膜技術的效率與可持續(xù)性提供了一些參考。


  相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X25000464?dgcid=coauthor


  邵路教授主頁：http://homepage.hit.edu.cn/shaolu?lang=zh 


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（責任編輯：xu）
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