A Lotus‐Petiole‐Inspired Hierarchical Design with Hydrophilic/Hydrophobic Management for Enhanced Solar Water Purification

材料科学 结垢 蒸发器 蒸发 润湿 化学工程 纳米技术 太阳能 工艺工程 热交换器 复合材料 机械工程 生物 工程类 热力学 物理 生物化学 化学 生态学
作者
Xiangyu Li,Ye Tian,Panpan Zhang,Na Liu,Huajun Zhai,Jiujiang Ji,Shuaiheng Zhao,Yue Liu,Dake Xu,Fuhui Wang,Yen Wei,Lin Feng
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (31) 被引量:65
标识
DOI:10.1002/adfm.202302019
摘要

Abstract Solar‐driven vapor generation offers an affordable and sustainable approach to solve global freshwater scarcity. Creating interfacial solar evaporators capable of increasing water production rates matching human water requirements is highly desirable but challenging due to the slow water transportation dynamics and unavoidable oil‐fouling. Herein, a bio‐inspired lotus‐petiole‐mimetic microstructured graphene/poly(N‐acryloyl glycinamide) solar evaporator with integrated hydrophilic and hydrophobic microregions is developed. Through accurate control of the supramolecular interactions, the optimized solar evaporator incorporating unique structural features and wettability shows high light harvesting, enhanced water activation, and reduced energy demand for water vaporization, enabling a groundbreaking comprehensive performance along evaporation rate up to 3.4 kg m −2 h −1 and energy conversion efficiency of ≈93% under one sun irradiation (1 kW m −2 ). Molecular dynamics simulations reveal that the abundant hydrogen bonding sites of the polymeric networks can thermodynamically modulate the escape behavior of water molecules. Notably, neither decrease in evaporation rate nor fouling on solar evaporators is observed during the prolonged purification process toward nano/submicrometer emulsions, oily brines, actual seawater, and domestic wastewater. This study provides distinctive insights into water evaporation behaviors at a molecular level and pioneers a rational strategy to design high‐yield freshwater‐generation systems for wastewater containing complex contaminants.
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