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Biomimetic Hybridization of Janus-like Graphene Oxide into Hierarchical Porous Hydrogels for Improved Mechanical Properties and Efficient Solar Desalination Devices

材料科学 石墨烯 纳米技术 杰纳斯 化学工程 乙烯醇 自愈水凝胶 蒸发 氧化物 微尺度化学 复合材料 聚合物 高分子化学 数学教育 冶金 工程类 物理 热力学 数学
作者
Cheng Ma,Qiaoling Liu,Qianqian Peng,Guohui Yang,Min Jiang,Lu Zong,Jianming Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (12): 19877-19887 被引量:135
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c07391
摘要

Light-absorbing hydrogels provide a means for rapidly evaporating water by using solar energy. However, to achieve light-absorbing hydrogels with both durable mechanical properties and efficient energy utilization remains challenging due to the weak interface interactions between solar absorbers and a hydrogel matrix and difficultly controlled surface topography of swollen hydrogel-based evaporators. Herein, we demonstrate an effective nanoconfinement strategy to assemble a spongy poly(vinyl alcohol)/Janus-like graphene oxide hybrid hydrogel (SPJH) via strong interfacial interactions of hydrogen bonding and hydrophobic interaction. The resultant SPJHs with an intriguing hierarchical microstructure templated by air bubbles and ice crystals showed a high toughness (∼231 kJ m-2) and ultimate strain (∼310%) that were more than three times as high as those of light-absorbing hydrogels and a high evaporation rate of 4.18 kg m-2 h-1 with an efficiency up to 95% under 1 sun irradiation (relative humidity = 20%; temperature = 25 °C), achieved by synergistic mechanical and energy nanoconfinement and tailored surface topography within the designed hybrid hydrogels. This hybrid hydrogel-based solar evaporator with an ingenious design principle provides a pathway for scalable and processable solar water purification devices.
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