仿生根系结构设计：超支化聚合物修饰氧化石墨烯膜在脱盐渗透蒸发中的突破性应用

　　为解决GO膜易污染、稳定性差的问题，研究人员开发了HBP修饰的GO-HBP复合膜，通过MA交联稳定GO层间距，构建仿根系网络结构。该膜在10% NaCl浓度下实现99.96%截留率和6.79 kg·m-2 ·h-1 通量，FRR达98%，显著优于纯GO膜（79%），为可持续脱盐技术提供新策略。

　　

随着全球淡水资源的日益紧缺，脱盐技术成为解决水危机的关键途径。氧化石墨烯(GO)因其独特的二维结构和可调表面化学性质，被视为理想的膜材料。然而，纯GO膜在实际应用中面临两大挑战：一是层间易溶胀导致选择性下降，二是表面易被盐分和污染物堵塞。这些问题严重限制了GO膜的长期稳定性和工业化应用前景。

针对这些瓶颈，印度尼西亚三宝垄国立大学的研究团队从植物根系结构中获取灵感，开发了一种仿生设计的GO-超支化聚合物(HBP)复合膜。这项发表在《Journal of Membrane Science》的研究创新性地将HBP作为"根系网络"修饰在GO表面，同时通过马来酸酐(MA)交联固定GO层间距，构建出类似"根系-土壤"的稳定结构。这种设计不仅优化了水分传输路径，还显著提升了膜的离子选择性和抗污染能力。

研究团队采用真空过滤法制备复合膜，通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱证实GO层间距(d-spacing)缩小，傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)验证了酰胺化和酯化共价键的形成。性能测试显示，最优配方cGH3膜对10% NaCl溶液的截留率高达99.96%，水通量保持在6.79 kg·m^-2
·h^-1
，且连续运行100小时后通量恢复率(FRR)仍超过98%，远优于纯GO膜的79%。

材料与方法
研究使用改良Hummers法制备GO，通过真空过滤将HBP沉积在GO表面，MA作为交联剂稳定GO层间结构。采用XRD、拉曼光谱、FTIR、XPS等多尺度表征技术分析膜结构，通过渗透蒸发装置评估脱盐性能，Zeta电位分析表征表面电荷特性。

合成与表征
TEM和FTIR证实GO成功合成，特征峰显示含氧官能团的存在。XRD显示GO-HBP膜的层间距从纯GO的0.83 nm缩小至0.76 nm，表明交联有效抑制了层间溶胀。XPS证实MA与GO的酯化反应形成C-O-C键（532.1 eV），HBP的氨基与GO羧基发生酰胺化反应形成C-N键（399.8 eV）。

脱盐性能
在10% NaCl浓度下，cGH3膜表现出近乎完全的盐截留(99.96%)，优于文献报道的GO/PSS膜(99.99%截留但通量仅10.67 kg·m^-2
·h^-1
)。对Na₂
SO₄
和KCl的截留率分别达99.89%和99.72%，证明其广谱截留能力。

长期稳定性
cGH1-cGH3膜在100小时测试中通量衰减<2%，FRR均>98%，而纯GO膜通量下降21%。HBP形成的表面网络有效阻止污染物沉积，MA交联维持了GO层结构稳定性。

结论与意义
该研究开创性地提出"根系模型"膜设计理念：HBP作为表面网络捕获污染物，MA交联的GO层构成稳定基质。这种仿生策略解决了传统GO膜溶胀与污染的共性问题，FRR提升至98%标志着抗污染性能的突破。相较于需要高压驱动的反渗透技术，该膜在常压渗透蒸发中实现高效脱盐，能耗降低约30%。研究为开发下一代可持续脱盐膜提供了新范式，其设计理念可延伸至其他二维材料膜系统。

值得注意的是，Adi Darmawan和Hasan Muhtar团队通过精确控制HBP枝化度与GO交联度的平衡，首次实现了渗透蒸发膜同时具备高截留率和高通量的特性。这种"根系-土壤"协同作用机制为理解复合膜传质过程提供了新视角，对发展生物启发式功能材料具有重要指导价值。