哈工大邵路教授团队 MSER：先进催化清洁膜 - 当代现状与未来展望

2025-03-09 来源：高分子科技

到 2025 年，将有超过 24 亿人生活在缺乏清洁水的国家或地区。压力驱动膜因其模块化设计和低碳足迹，在可持续能源-水系统中发挥关键作用，但传统膜分离过程受限于污染物去除效率低、污垢累积严重，并依赖高能耗、高成本的清洗与后处理。催化清洁膜作为一项新兴技术，将催化降解与分离功能相结合，在有效去除污染物的同时，缓解膜污染问题并提升水处理质量。通过在膜表面或内部固定催化剂，这些膜可在过滤过程中实现自清洁，减少催化剂损失并简化回收。相比于溶液中分散催化剂的方法，催化清洁膜的设计克服了催化剂流失和回收复杂性的难题，为高效、可持续的水处理提供了更优解决方案。

近日，哈尔滨工业大学化工与化学学院、城市水资源与水环境国家重点实验室成员邵路教授带领团队总结了催化清洁膜的研究现状以及面临的挑战，相关论文以Advanced catalytic cleaning membranes: Contemporary status and future prospects为题发表在Materials Science & Engineering R《材料科学与工程 R》SCI期刊上，期刊影响因子为31.6。该文章共同第一作者为王浩洋和邸建伟，共同通讯作者为杨晓彬副教授、Cher Hon Lau副教授和邵路教授。

图：先进催化清洁膜

该综述首先回顾了先进催化清洁膜的工程基础与发展历程，重点分析了自1968年催化膜概念提出以来，各种催化清洁膜技术的演变及关键创新点，并引出了不同刺激响应膜的开发路线。随后，从催化机理的角度对现有催化清洁膜进行了系统归纳，涵盖光催化清洁膜、化学催化清洁膜、电催化清洁膜及压电等刺激响应型催化清洁膜的催化机制。首先，光催化清洁膜利用紫外或可见光激发半导体催化剂，产生活性氧物种（如·OH、·O??），从而高效降解污染物。化学催化清洁膜的运行机制主要依赖于高级氧化过程（AOPs），其中催化剂的活化可生成高活性自由基（如·OH、SO?·?），通过氧化还原反应降解持久性有机污染物。电催化清洁膜则通过外加电场驱动电极反应，在膜表面或孔道内生成强氧化性物种，从而有效降解有机污染物并缓解膜污染。此外，压电催化及其他外部刺激响应型催化清洁膜利用压电或反压电效应等刺激响应机制，通过外部能量输入（如机械应力或水流）激活催化活性，实现污染物降解。本文进一步探讨了不同类型催化清洁膜的代表性研究，并系统分析了各类催化机制的特点、适用范围及局限性，为未来高效催化清洁膜的设计与优化提供理论支持。

图：先进催化清洁膜机理

接着，阐述了催化清洁膜的催化材料及制造策略，详细归纳了不同类型催化剂的选择标准、应用场景及其与膜材料结合的协同作用，同时举例分析了各种制备方法的优势及技术挑战。此外，重点介绍了催化清洁膜在粘附性污染物去除、降解染料及处理新兴污染物方面的应用，并据此展望了未来的技术优化方向。

图：催化清洁膜降解新污染物的应用

论文最后总结并分析了催化清洁膜当前发展所面临的主要挑战，并针对未来发展方向提出了应对策略。在新型催化材料的研发方面，探索适用于催化清洁膜体系的新型纳米材料；在载体材料的制备与选择上，引入3D/4D打印技术，精准构建膜基底，优化孔结构和流体通道，以提高催化剂的负载效率和膜的整体性能；设计并开发集分离、催化和自清洁功能于一体的多功能膜；在应用扩展方面，催化清洁膜可进一步推广至工业废水处理、农业径流净化、医疗废水处理及高纯水制备等领域，以满足不同水处理需求并提升其在环境治理中的应用价值；在工程化应用及商业化方面，优化催化剂制备成本、简化膜制造工艺，并引入人工智能（AI）技术，以实现膜材料的高通量筛选、结构优化和性能调控，从而推动催化清洁膜的大规模生产与市场化应用；在绿色可持续发展方面，关注可再生材料的应用、绿色合成技术的推广以及膜寿命的优化，以降低生产和运行过程中的能耗与污染排放，实现催化清洁膜的环境友好型发展。通过多角度探讨，描绘了绿色新型催化清洁膜的发展蓝图，为提升膜技术的效率与可持续性提供了一些参考。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X25000464?dgcid=coauthor

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