高性能超亲水/超疏油型油水分离膜的飞秒激光直写加工方法研究

The high-performance superhydrophilic and superoleophobic oil-water separation membrane is one of the effective ways for solving the problem of oil pollution in water. The keys for preparation of high performance oil-water separation membranes are micro/nanostructured surface with superwettability and suitable pore sizes. Up to know, the methods for manufacturing oil-water separation membranes are potentially processing complex and poor performance, etc. A novel method is crucial to be developed for the fabrication of oil-water separation membranes. Due to the advantages of high precision and controllability, femtosecond laser provides a powerful tool for the fabrication of superhydrophilic and superoleophobic oil-water separation membranes. However, there are still questions and challenges for the fabrication of oil-water separation membranes by using femtosecond laser, such as femtosecond laser-material interactions mechanisms and technology, performance optimization, and so on. Therefore, this project proposes a new method for the fabrication of high-performance oil-water separation membranes with femtosecond laser ablated micro/nanostructures on the porous metal membrane surfaces. The models are established to describe quantitative relation between membrane surface’s micro/nanostructures, pore sizes and the function of superhydrophilic and superoleophobic oil-water separation, and the functional surface structure design of oil-water separation will be achieved. The formation mechanism of micro/nanostructures under the interactions of laser-material is revealed, and laser processing parameters effecting on the law of the membrane surface’s micro/nanostructures and morphology are also studied. A set of femtosecond laser direct writing technology for processing high performance and large-area oil-water separation membrane are developed for different types of oily water. The proposed project can be used as the theoretical basis and technologies for improving and promoting the fabrication of oil-water separation membranes.

高性能超亲水/超疏油型油水分离膜是解决水体油污染的有效途径之一。其制造的关键在于具有超浸润性的微纳结构表面和合适的孔径尺寸，目前制造油水分离膜的方法存在工艺复杂、工作性能差等问题，因此亟需探索新的加工方法。飞秒激光的精确可控加工优势为制造高性能油水分离膜提供了有力手段，但在作用机理与工艺、性能优化等方面仍存在许多问题和挑战。因此，本项目提出飞秒激光在多孔金属膜表面加工微纳结构制造高性能油水分离膜的方法，建立膜表面微纳结构和孔径尺寸与超亲水/超疏油型油水分离功能的定量关系模型，实现油水分离功能的表面结构设计；揭示飞秒激光与膜材料相互作用下微纳结构的形成机理，研究激光加工参数对膜表面微纳结构形貌的影响规律；针对不同类型的含油污水，形成一套飞秒激光直写加工高性能大面积油水分离膜的工艺，为完善和推动油水分离膜的制造提供理论依据和技术支持。

高性能超亲水/超疏油型油水分离膜是解决水体油污染的有效途径之一。其制造的关键在于具有超浸润性的微纳结构表面和合适的孔径尺寸，目前制造油水分离膜的方法存在工艺复杂、工作性能差等问题，因此亟需探索新的加工方法。飞秒激光的精确可控加工优势为制造高性能油水分离膜提供了有力手段，但在作用机理与工艺、性能优化等方面仍存在许多问题和挑战。.基于此，本项目研究了表面微纳米结构、孔径尺寸和材料物理化学性质对多孔膜浸润特性的影响规律，建立了膜特征参数与油水分离功能之间的定量关系模型,掌握了激光加工参数调控膜表面微纳结构形貌的方法，针对乳化油水、油中微小水滴等不同类型的含油污水，形成了一系列飞秒激光微纳制造高性能油水分离膜的工艺，实现了不同类型油水混合物的高效分离，解决了分离效率和分离通量低的问题。进一步针对油中水滴无法定向运输等难题，利用超浸润和形貌梯度的协同效应，实现了不依赖于基质，在不同材料的梯形表面定向自运输油中水滴，有效扩展了油水分离膜的应用领域，为完善和推动油水分离膜的制造与应用提供了理论依据和技术支持。.在本项目的资助下，项目负责人以第一/通讯作者发表SCI学术论文16篇，其中JCR一区11篇，IF＞5论文8篇，TOP1%高被引论文6篇，TOP0.1%热点论文1篇，SCI论文新增被引用1606次，申请与授权国家发明专利5项，培养研究生毕业3名。项目负责人依托本项目研究成果，于2018年晋升副教授，2019年入选英国皇家化学学会材料类全球排名前1%高被引学者，2020年晋升博士生导师，2021年当选瑞典国际先进材料学会会士（IAAM Fellow），同年获IAAM青年科学家奖、湖南省湖湘青年英才、湖南省优青等荣誉/人才计划。在项目执行期内，项目负责人主持国家自然科学基金面上项目1项，省部级项目3项。