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Synergistic Energy Nanoconfinement and Water Activation in Hydrogels for Efficient Solar Water Desalination

材料科学 太阳能 海水淡化 低温热脱盐 热能 化学工程 汽化 纳米技术 自愈水凝胶 环境科学 化学 高分子化学 热力学 有机化学 电气工程 工程类 物理 生物化学
作者
Youhong Guo,Xingyi Zhou,Fei Zhao,Jiwoong Bae,Brian Rosenberger,Guihua Yu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:13 (7): 7913-7919 被引量:499
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b02301
摘要

Precisely controlled distribution of energy in solar-to-thermal energy conversion systems could allow for enhanced energy utilization. Light-absorbing hydrogels provide a means for evaporating water by using solar energy, yet targeted delivery of solar thermal energy to power the water evaporation process remains challenging. Here, we report a light-absorbing sponge-like hydrogel (LASH) that is created by in situ gelation of a light-absorbing nanoparticle-modified polymer, leading to synergistic energy nanoconfinement and water activation. By experimental demonstration and theoretical simulation, the LASH presents record high vapor generation rates up to ∼3.6 kg m-2 h-1 and stable long-term performance under 1 sun (1 kW m-2) irradiation. We investigate the energy confinement at the polymer-nanoparticle interphases and the water activation enabled by polymer-water interaction to reveal the significance of such effects for high-rate solar vapor generation. The water vaporization enabled by LASHs can remove over 99.9% of salt ions in seawater through solar water desalination. The fundamental design principle, scalable fabrication route, and superior performance offer possibilities for portable solar water purification, industrial solar-powered water treatment, and other advanced solar thermal applications.
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