Polyoxometalates-Modulated Hydrophilic-Hydrophobic Composite Interfacial Material for Efficient Solar Water Evaporation and Salt Harvesting in High-Salinity Brine

Abstract

Solar vapor generation (SVG) represents a promising technique for seawater desalination to alleviate the global water crisis and energy shortage. One of its main bottleneck problems is that the evaporation efficiency and stability are limited by salt crystallization under high-salinity brines. Herein, we demonstrate that the 3D porous melamine-foam (MF) wrapped by a type of self-assembling composite materials based on reduced polyoxometalates (i.e. heteropoly blue, HPB), oleic acid (OA), and polypyrrole (PPy) (labeled with MF@HPB-PPy_n-OA) can serve as efficient and stable SVG material at high salinity. Structural characterizations of MF@HPB-PPy_n-OA indicate that both hydrophilic region of HPBs and hydrophobic region of OA co-exist on the surface of composite materials, optimizing the hydrophilic and hydrophobic interfaces of the SVG materials, and fully exerting its functionality for ultrahigh water-evaporation and anti-salt fouling. The optimal MF@HPB-PPy₁₀-OA operates continuously and stably for over 100 h in 10 wt% brine. Furthermore, MF@HPB-PPy₁₀-OA accomplishes complete salt-water separation of 10 wt% brine with 3.3 kg m⁻² h⁻¹ under 1-sun irradiation, yielding salt harvesting efficiency of 96.5%, which belongs to the record high of high-salinity systems reported so far and is close to achieving zero liquid discharge. Moreover, the low cost of MF@HPB-PPy₁₀-OA (2.56 $ m⁻²) suggests its potential application in the practical SVG technique.

Keywords

heteropoly blue (HPB) / hydrophilic-hydrophobic interface / polyoxometalates (POM) / salt-water separation / solar vapor generation (SVG)

References

[1] C. J. Vörösmarty , P. Green , J. Salisbury , R. B. Lammers , Science 2000, 289, 284.

[2] T. A. Larsen , S. Hoffmann , C. Lüthi , B. Truffer , M. Maurer , Science 2016, 352, 928.

[3] C. Y. He , Z. F. Liu , J. G. Wu , X. H. Pan , Z. H. Fang , J. W. Li , B. A. Bryan , Nat. Commun. 2021, 12, 4667.

[4] S. F. Singer , Science 1970, 168, 1286.

[5] M. Elimelech , W. A. Phillip , Science 2011, 333, 712.

[6] P. E. Glaser , Science 1965, 148, 1127.

[7] A. Alkaisi , R. Mossad , A. Sharifian-Barforoush , Energy Procedia 2017, 110, 268.

[8] A. Ali , R. A. Tufa , F. Macedonio , E. Curcio , E. Drioli , Renew. Sustain. Energy Rev. 2018,

[9] O. M. A. Al-hotmani , M. A. Al-Obaidi , Y. M. John , R. Patel , I. M. Mujtaba , Desalination 2022, 534, 115776.

[10] Y. H. Guo , J. Bae , Z. W. Fang , P. P. Li , F. Zhao , G. H. Yu , Chem. Rev. 2020, 120, 7642.

[11] M. S. Irshad , N. Arshad , X. B. Wang , H. R. Li , M. Q. Javed , Y. Xu , L. A. Alshahrani , T. Mei , J. H. Li , Solar RRL 2021, 5, 2100427.

[12] M. S. Irshad , X. B. Wang , A. Abbas , F. Yu , J. H. Li , J. Y. Wang , T. Mei , J. W. Qian , S. L. Wu , M. Q. Javed , Carbon 2021, 176, 313.

[13] M. S. Irshad , X. B. Wang , M. S. Abbasi , N. Arshad , Z. H. Chen , Z. Z. Guo , L. Yu , J. W. Qian , J. You , T. Mei , ACS Sustain. Chem. Eng. 2021, 9, 3887.

[14] M. S. Irshad , N. Arshad , J. Zhang , C. Y. Song , N. Mushtaq , M. Alomar , T. Shamim , V.-D. Dao , H. Wang , X. B. Wang , H. Zhang , Adv. Energy Sustain. Res. 2023, 4, 2200158.

[15] M. S. Irshad , Y. B. Hao , N. Arshad , M. Alomar , L. Y. Lin , X. Q. Li , S. Wageh , O. A. Al-Hartomy , A. G. Al-Sehemi , V. D. Dao , H. Wang , X. B. Wang , H. Zhang , Chem. Eng. J. 2023, 458, 141431.

[16] N. Xu , J. L. Li , Y. Wang , C. Fang , X. Q. Li , Y. X. Wang , L. Zhou , B. Zhu , Z. Wu , S. N. Zhu , J. Zhu , Sci. Adv. 2019, 5, eaaw7013.

[17] Z. X. Wang , T. Horseman , A. P. Straub , N. Y. Yip , D. Y. Li , M. Elimelech , S. H. Lin , Sci. Adv. 2019, 5, eaax0763.

[18] L. Wu , Z. C. Dong , Z. R. Cai , T. Ganapathy , N. X. Fang , C. X. Li , C. L. Yu , Y. Zhang , Y. L. Song , Nat. Commun. 2020, 11, 521.

[19] W. X. Guan , Y. H. Guo , G. H. Yu , Small 2021, 17, e2007176.

[20] F. Nawaz , Y. W. Yang , S. H. Zhao , M. H. Sheng , C. Pan , W. X. Que , J. Mater. Chem. A 2021, 9, 16233.

[21] L. N. Zhang , X. Y. Li , Y. Zhong , A. Leroy , Z. Y. Xu , L. Zhao , E. N. Wang , Nat. Commun. 2022, 13, 849.

[22] C. L. Zhang , Y. Shi , L. Shi , H. X. Li , R. Y. Li , S. Hong , S. F. Zhuo , T. J. Zhang , P. Wang , Nat. Commun. 2021, 12, 998.

[23] K. J. Yang , T. T. Pan , S. C. Dang , Q. Q. Gan , Y. Han , Nat. Commun. 2022, 13, 6653.

[24] M. Miyazaki , A. Fujii , T. Ebata , N. Mikami , Science 2004, 304, 1134.

[25] A. Fujii , K. Mizuse , Int. Rev. Phys. Chem. 2013, 32, 266.

[26] F. Z. Zhao , X. Y. Zhou , Y. Shi , X. Qian , M. Alexander , X. P. Zhao , S. Mendez , R. G. Yang , L. T. Qu , G. H. Yu , Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 489.

[27] Q. C. Lu , W. X. Shi , H. Z. Yang , X. Wang , Adv. Mater. 2020, 32, e2001544.

[28] Y. Zhou , Q. C. Lu , Q. D. Liu , H. Z. Yang , J. L. Liu , J. Zhuang , W. X. Shi , X. Wang , Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2112159.

[29] F. Zhao , Y. H. Guo , X. Y. Zhou , W. Shi , G. H. Yu , Nat. Rev. Mater. 2020, 5, 388.

[30] J. X. Xiao , Y. Guo , W. Q. Luo , D. Wang , S. K. Zhong , Y. R. Yue , C. N. Han , R. X. Lv , J. B. Feng , J. Q. Wang , W. Huang , X. L. Tian , W. Xiao , Y. J. Shen , Nano Energy 2021, 87, 106213.

[31] P. Liu , Y. B. Hu , X. Y. Li , L. Xu , C. Chen , B. L. Yuan , M. L. Fu , Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2022, 61, e202208587.

[32] W. J. Tu , Z. Z. Wang , Q. Y. Wu , H. Huang , Y. Liu , M. W. Shao , B. W. Yao , Z. H. Kang , J. Mater. Chem. A 2020, 8, 10260.

[33] L. Zhou , Y. L. Tan , D. X. Ji , B. Zhu , P. Zhang , J. Xu , Q. Q. Gan , Z. F. Yu , J. Zhu , Sci. Adv. 2016, 2, e1501227.

[34] X. Q. Li , J. L. Li , J. Y. Lu , N. Xu , C. L. Chen , X. Z. Min , B. Zhu , H. X. Li , L. Zhou , S. N. Zhu , T. J. Zhang , J. Zhu , Joule 2018, 2, 1331.

[35] W. C. Xu , X. Z. Hu , S. D. Zhuang , Y. X. Wang , X. Q. Li , L. Zhou , S. N. Zhu , J. Zhu , Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702884.

[36] Y. W. Yang , H. Y. Zhao , Z. Y. Yin , J. Q. Zhao , X. T. Yin , N. Li , D. D. Yin , Y. N. Li , B. Lei , Y. P. Du , W. X. Que , Mater. Horiz. 2018, 5, 1143.

[37] R. Hu , J. Q. Zhang , Y. D. Kuang , K. B. Wang , X. Y. Cai , Z. Q. Fang , W. Q. Huang , G. Chen , Z. X. Wang , J. Mater. Chem. A 2019, 7, 15333.

[38] Y. H. Guo , X. Zhao , F. Zhao , Z. H. Jiao , X. Y. Zhou , G. H. Yu , Energ. Environ. Sci. 2020, 13, 2087.

[39] H. Y. Zhao , J. Zhou , Z. L. Yu , L. F. Chen , H. J. Zhan , H. W. Zhu , J. Huang , L. A. Shi , S. H. Yu , Cell Rep. Phys. Sci. 2020, 1, 100074.

[40] Y. Q. Zhu , G. L. Tian , Y. W. Liu , H. X. Li , P. C. Zhang , L. Zhan , R. Gao , C. Huang , Adv. Sci. 2021, 8, e2101727.

[41] S. S. Wang , G. Y. Yang , Chem. Rev. 2015, 115, 4893.

[42] L. C. Baker , D. C. Glick , Chem. Rev. 1998, 98, 3.

[43] D. L. Long , E. Burkholder , L. Cronin , Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 105.

[44] L. Chen , W. L. Chen , X. L. Wang , Y. G. Li , Z. M. Su , E. B. Wang , Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 260.

[45] J. W. Zhang , Y. C. Huang , G. Li , Y. Wei , Coord. Chem. Rev. 2019, 378, 395.

[46] M. D. Symes , L. Cronin , Nat. Chem. 2013, 5, 403.

[47] Q. W. Yan , W. D. Yu , J. Yan , Chin. Sci. Bull. 2018, 63, 3296.

[48] X. F. Chen , G. H. Zhang , B. Li , L. X. Wu , Sci. Adv. 2021, 7, eabf8413.

[49] Z. Fang , Z. Deng , X. Y. Wan , Z. Y. Li , X. Ma , S. Hussain , Z. Z. Ye , X. S. Peng , Appl. Catal. Environ. 2021, 296, 120329.

[50] A. Bijelic , M. Aureliano , A. Rompel , Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2019, 58, 2980.

[51] G. Guedes , S. Q. Wang , F. Fontana , P. Figueiredo , J. Lindén , A. Correia , R. J. B. Pinto , S. Hietala , F. L. Sousa , H. A. Santos , Adv. Mater. 2021, 33, e2007761.

[52] F. Khan , Y. Jang , Y. Patil , R. Misra , F. D’Souza , Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2021, 60, 20518.

[53] C. Zhang , W. B. Bu , D. L. Ni , C. J. Zuo , C. Cheng , Q. Li , L. L. Zhang , Z. Wang , J. L. Shi , J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 8156.

[54] Z. Yang , W. P. Fan , W. Tang , Z. Y. Shen , Y. L. Dai , J. B. Song , Z. T. Wang , Y. Liu , L. Lin , L. L. Shan , Y. J. Liu , O. Jacobson , P. F. Rong , W. Wang , X. Y. Chen , Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2018, 57, 14101.

[55] X. E. Cai , D. C. Du , J. P. Ni , Y. M. Jin , J. Zhu , Y. X. Qian , Thermochim. Acta 1997, 292, 45.

[56] F. K. Ahmadabad , M. Pourayoubi , H. Bakhshi , Mater. Chem. Phys. 2017, 199, 79.

[57] H. F. Shi , G. Yan , Y. Zhang , H. Q. Tan , W. Z. Zhou , Y. Y. Ma , Y. G. Li , W. L. Chen , E. B. Wang , ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 422.

[58] H. F. Shi , Y. C. Yu , Y. Zhang , X. J. Feng , X. Y. Zhao , H. Q. Tan , S. U. Khan , Y. G. Li , E. B. Wang , Appl. Catal. Environ. 2018, 221, 280.

[59] X. Q. Li , G. Ni , T. Cooper , N. Xu , J. L. Li , L. Zhou , X. Z. Hu , B. Zhu , P. C. Yao , J. Zhu , Joule 2019, 3, 1798.

[60] H. Y. Geng , Q. Xu , M. M. Wu , H. Y. Ma , P. P. Zhang , T. T. Gao , L. T. Qu , T. B. Ma , C. Li , Nat. Commun. 2019, 10, 1512.

[61] X. J. Liu , Y. P. Tian , F. Q. Chen , A. Caratenuto , J. A. DeGiorgis , M. ELSonbaty , Y. S. Wan , R. Ahlgren , Y. Zheng , Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2100911.

[62] L. Zhu , L. Sun , H. Zhang , H. Aslan , Y. Sun , Y. D. Huang , F. Rosei , M. Yu , Energ. Environ. Sci. 2021, 14, 2451.

[63] Y. J. Hu , H. Y. Ma , M. M. Wu , T. Y. Lin , H. Z. Yao , F. Liu , H. H. Cheng , L. T. Qu , Nat. Commun. 2022, 13, 4335.

[64] X. H. Liu , F. X. Chen , Y. K. Li , H. J. Jiang , D. D. Mishra , F. Yu , Z. H. Chen , C. Q. Hu , Y. Chen , L. T. Qu , W. T. Zheng , Adv. Mater. 2022, 34, e2203137.

[65] W. Zhou , C. L. Zhou , C. F. Deng , L. Chen , X. J. Zeng , Y. X. Zhang , L. X. Tan , B. S. Hu , S. Guo , L. C. Dong , S. C. Tan , Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2113264.

[66] Y. D. Kuang , C. J. Chen , S. M. He , E. M. Hitz , Y. L. Wang , W. T. Gan , R. Y. Mi , L. B. Hu , Adv. Mater. 2019, 31, e1900498.

[67] Y. Xia , Q. F. Hou , H. Jubaer , Y. Li , Y. Kang , S. Yuan , H. Y. Liu , M. W. Woo , L. Zhang , L. Gao , H. T. Wang , X. W. Zhang , Energ. Environ. Sci. 1840, 2019, 12.

[68] L. Li , N. He , B. Jiang , K. W. Yu , Q. Zhang , H. T. Zhang , D. W. Tang , Y. C. Song , Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2104380.

[69] X. Y. Wang , S. Handschuh-Wang , Y. Xu , L. Xiang , Z. Y. Zhou , T. Wang , Y. B. Tang , Adv. Mater. Interfaces 2021, 8, 2100196.

RIGHTS & PERMISSIONS

2023 2023 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.