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(qū)動膜因其模塊化設(shè)計和低碳足跡，在可持續(xù)能源-水系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)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(yán)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(shù)，將催化降解與分離功能相結(jié)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(zhì)量。通過在膜表面或內(nèi)部固定催化劑，這些膜可在過濾過程中實現(xiàn)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(shè)計克服了催化劑流失和回收復(fù)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(xué)化工與化學(xué)學(xué)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(lǐng)團(tuán)隊總結(jié)了催化清潔膜的研究現(xiàn)狀以及面臨的挑戰(zhàn)，相關(guān)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(xué)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(jìn)催化清潔膜
該綜述首先回顧了先進(jìn)催化清潔膜的工程基礎(chǔ)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(shù)的演變及關(guān)鍵創(chuàng)新點，并引出了不同刺激響應(yīng)膜的開發(fā)路線。隨后，從催化機(jī)理的角度對現(xiàn)有催化清潔膜進(jìn)行了系統(tǒng)歸納，涵蓋光催化清潔膜、化學(xué)催化清潔膜、電催化清潔膜及壓電等刺激響應(yīng)型催化清潔膜的催化機(jī)制。首先，光催化清潔膜利用紫外或可見光激發(fā)半導(dǎo)體催化劑，產(chǎn)生活性氧物種（如·OH、·O??），從而高效降解污染物。化學(xué)催化清潔膜的運行機(jī)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(yīng)降解持久性有機(jī)污染物。電催化清潔膜則通過外加電場驅(qū)動電極反應(yīng)，在膜表面或孔道內(nèi)生成強(qiáng)氧化性物種，從而有效降解有機(jī)污染物并緩解膜污染。此外，壓電催化及其他外部刺激響應(yīng)型催化清潔膜利用壓電或反壓電效應(yīng)等刺激響應(yīng)機(jī)制，通過外部能量輸入（如機(jī)械應(yīng)力或水流）激活催化活性，實現(xiàn)污染物降解。本文進(jìn)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(jī)制的特點、適用范圍及局限性，為未來高效催化清潔膜的設(shè)計與優(yōu)化提供理論支持。
圖：先進(jìn)催化清潔膜機(jī)理
接著，闡述了催化清潔膜的催化材料及制造策略，詳細(xì)歸納了不同類型催化劑的選擇標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用場景及其與膜材料結(jié)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(shù)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(yīng)用，并據(jù)此展望了未來的技術(shù)優(yōu)化方向。
圖：催化清潔膜降解新污染物的應(yīng)用
論文最后總結(jié)并分析了催化清潔膜當(dāng)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(yīng)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(shù)，精準(zhǔn)構(gòu)建膜基底，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)和流體通道，以提高催化劑的負(fù)載效率和膜的整體性能；設(shè)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(yīng)用擴(kuò)展方面，催化清潔膜可進(jìn)一步推廣至工業(yè)廢水處理、農(nóng)業(yè)徑流凈化、醫(yī)療廢水處理及高純水制備等領(lǐng)域，以滿足不同水處理需求并提升其在環(huán)境治理中的應(yīng)用價值；在工程化應(yīng)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(shù)，以實現(xiàn)膜材料的高通量篩選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能調(diào)控，從而推動催化清潔膜的大規(guī)模生產(chǎn)與市場化應(yīng)用；在綠色可持續(xù)發(fā)展方面，關(guān)注可再生材料的應(yīng)用、綠色合成技術(shù)的推廣以及膜壽命的優(yōu)化，以降低生產(chǎn)和運行過程中的能耗與污染排放，實現(xiàn)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(lán)圖，為提升膜技術(shù)的效率與可持續(xù)性提供了一些參考。
相關(guān)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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