Construction of a Three-Dimensional Interpenetrating Network Sponge for High-Efficiency and Cavity-Enhanced Solar-Driven Wastewater Treatment

材料科学 明胶 光热治疗 化学工程 能量转换效率 蒸发 纳米技术 复合材料 光电子学 有机化学 化学 物理 工程类 热力学
作者
Xinling Wang,Zehao Li,Yi Wu,Hongran Guo,Xiaoli Zhang,Yuxin Yang,Haibo Mu,Jinyou Duan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (9): 10902-10915 被引量:76
标识
DOI:10.1021/acsami.0c21690
摘要

It is well known that the photothermal conversion performance of solar-driven interfacial water evaporation systems is known to have a stronger photothermal conversion performance than suspended water evaporation systems due to their relatively strong ability to suppress overall heat loss. Natural polymer chitosan and gelatin can form a three-dimensional interpenetrating network (IPN) sponge to provide an interface for water evaporation due to strong hydrogen bonding and electrostatic attraction interaction. However, the lack of effective light absorption, the intrinsic short lifetime, and the poor photothermal conversion greatly compromise their steam generation performance. Here, we fabricated a chitosan/gelatin-based IPN sponge incorporated with melanin-coated titania hollow nanospheres (CG@MPT-h) as a solar thermal converter, which is designed to exhibit a unique cavity structure and vertical channels. The cavity structure of melanin-coated titania acts as a solar thermal transducer, while the chitosan/gelatin-based IPN sponge acts as a single-pass water pump. A water hyacinth-inspired evaporation system shows outstanding steam generation performance, and the highest steam generation rate was 3.17 kg m-2 h-1 under a 2.5 sun illumination because of the cavity enhancement effect, far above TiO2 particles and reported photo-thermal conversion materials. More importantly, the embedding of MPT-h nanoparticles in the IPN sponge effectively inhibits the growth of bacteria in the vertical channels, resulting in an antibacterial solar-driven water evaporator. This advanced sponge provides a cost-effective and practical sustainable energy technique for solar-driven wastewater treatment.
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