MXene, a new series of 2D material, has been steadily advancing its applications to a variety of fields, such as catalysis, supercapacitor, molecular separation, electromagnetic wave interference shielding. This work reports a carefully designed aqueous droplet light heating system along with a thorough mathematical procedure, which combined leads to a precise determination of internal light-to-heat conversion efficiency of a variety of nanomaterials. The internal light-to-heat conversion efficiency of MXene, more specifically Ti3C2, was measured to be 100%, indicating a perfect energy conversion. Furthermore, a self-floating MXene thin membrane was prepared by simple vacuum filtration and the membrane, in the presence of a rationally chosen heat barrier, produced a light-to-water-evaporation efficiency of 84% under one sun irradiation, which is among the state of art energy efficiency for similar photothermal evaporation system. The outstanding internal light-to-heat conversion efficiency and great light-to-water evaporation efficiency reported in this work suggest that MXene is a very promising light-to-heat conversion material and thus deserves more research attention toward practical applications.

Self-healing hydrophobic light-to-heat conversion membranes for interfacial solar heating are fabricated by deposition of light-to-heat conversion material of polypyrrole onto a porous stainless-steel mesh, followed by hydrophobic fluoroalkylsilane modification. The mesh-based membranes spontaneously stay at the water–air interface, collect and convert solar light into heat, and locally heat only the water surface for enhanced evaporation. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Activated carbon fibers (ACFs) were used for the adsorption of phenol, 2-chlorophenol (2-CP), 4-chlorophenol (4-CP), 2,4-dichlorophenol (DCP), 2,4,6-trichlorophenol (TCP), 4-nitrophenol (4-NP) and 2,4-dinitrophenol (DNP) from aqueous solutions, and the adsorption capacities followed the order of TCP > DNP ≈ DCP > 4-NP > 4-CP > 2-CP > phenol. Adsorption isotherms at different temperatures were determined and modeled with Langmuir, Freundlich and Redlich–Peterson equations. Thermodynamic parameters were calculated and correlated with the adsorption behaviors. The effects of solution pH on the adsorption were also studied. The adsorption mechanism was discussed based on the experimental results, and the π–π interactions, solvent effects, hydrophobic interactions and molecular dimensions were considered to be important in the adsorption. Kinetic studies showed rapid adsorption kinetics of the phenols, due to the open pore structure of the ACFs. The kinetics was fitted with the pseudo-first-order, pseudo-second-order and intraparticle diffusion models. Steric effects on adsorption kinetics were observed for TCP, 4-NP and DNP, but serious impact on the ultimate uptake was only found for DNP. The relationship between the steric effects and the molecular dimension was also proposed.

Membrane distillation (MD) is a separation process based on the vapor transport across the hydrophobic microporous membrane driven by the vapor pressure gradient across the membrane. This process can be used for various applications such as seawater desalination, wastewater treatment, separation of volatile compounds, concentration of non-volatile compounds and processing of dairy fluids. Comparing with other separation processes, the MD process possesses unique characteristics such as 100% (theoretical) rejection, mild operation conditions, insensitive to feed concentration and stable performance at high contaminant concentrations. Due to high oil prices in recent years, extensive research has been devoted to MD in the areas of membrane materials, module configurations, process applications and hybrid systems. This review aims to summarize the recent advances in MD and provide perspectives for its future R&D.

A visible light responsive plasmonic photocatalytic composite material is designed by rationally selecting Au nanocrystals and assembling them with the TiO(2)-based photonic crystal substrate. The selection of the Au nanocrystals is so that their surface plasmonic resonance (SPR) wavelength matches the photonic band gap of the photonic crystal and thus that the SPR of the Au receives remarkable assistance from the photonic crystal substrate. The design of the composite material is expected to significantly increase the Au SPR intensity and consequently boost the hot electron injection from the Au nanocrystals into the conduction band of TiO(2), leading to a considerably enhanced water splitting performance of the material under visible light. A proof-of-concept example is provided by assembling 20 nm Au nanocrystals, with a SPR peak at 556 nm, onto the photonic crystal which is seamlessly connected on TiO(2) nanotube array. Under visible light illumination (>420 nm), the designed material produced a photocurrent density of ~150 μA cm(-2), which is the highest value ever reported in any plasmonic Au/TiO(2) system under visible light irradiation due to the photonic crystal-assisted SPR. This work contributes to the rational design of the visible light responsive plasmonic photocatalytic composite material based on wide band gap metal oxides for photoelectrochemical applications.

Summary

 The energy efficiency in solar steam generation by 2D photothermal materials has approached its limit. In this work, we fabricated 3D cylindrical cup-shaped structures of mixed metal oxide as solar evaporator, and the 3D structure led to a high energy efficiency close to 100% under one-sun illumination due to the capability of the cup wall to recover the diffuse reflectance and thermal radiation heat loss from the 2D cup bottom. Additional heat was gained from the ambient air when the 3D structure was exposed under one-sun illumination, leading to an extremely high steam generation rate of 2.04 kg m⁻² h⁻¹. The 3D structure has a high thermal stability and shows great promise in practical applications including domestic wastewater volume reduction and seawater desalination. The results of this work inspire further research efforts to use 3D photothermal structures to break through the energy efficiency limit of 2D photothermal materials.

Advanced materials with surfaces that have controllable oil wettability when submerged in aqueous media have great potential for various underwater applications. Here we have developed smart surfaces on commonly used materials, including non-woven textiles and polyurethane sponges, which are able to switch between superoleophilicity and superoleophobicity in aqueous media. The smart surfaces are obtained by grafting a block copolymer, comprising blocks of pH-responsive poly(2-vinylpyridine) and oleophilic/hydrophobic polydimethylsiloxane (i.e., P2VP-b-PDMS) on these materials. The P2VP block can alter its wettability and its conformation via protonation and deprotonation in response to the pH of the aqueous media, which provides controllable and switchable access of oil by the PDMS block, resulting in the switchable surface oil wettability in the aqueous media. On the other hand, the high flexibility of the PDMS block facilitates the reversible switching of the surface oil wettability. As a proof of concept, we also demonstrate that materials functionalized with our smart surfaces can be used for highly controllable oil/water separation processes. Peng Wang and co-workers have devised smart surfaces that have switchable wettability – affinity to oil and water phases. Such materials are useful for applications that require oil/water separation, and might help clean up oil spills in future. The researchers have endowed materials with smart surfaces by decorating them with a polymer made of two flexible blocks with different properties. One block exhibits a high affinity to oil phases and low affinity to aqueous ones, while the other changes its wettability but also its shape through protonation, depending on the acidity of the aqueous phase. At different pHs, therefore, either one block or the other is predominantly exposed to the solution, endowing the surface with different wettability characteristics. These smart surfaces can be coated on commonly used materials such as textiles and sponges, and showed good properties for oil capture and release applications. Schematics showing the switchable oil wettability of the P2VP-b-PDMS-grafted surface in aqueous media with different pH.

Given the emerging energy and water challenges facing mankind, solar-driven water evaporation has been gaining renewed research attention from both academia and industry as an energy-efficient means of wastewater treatment and clean water production. In this project, a bilayered material, consisting of a top self-floating hydrophobic CNT membrane and a bottom hydrophilic macroporous silica substrate, was logically designed and fabricated for highly energy-efficient solar-driven water evaporation based on the concept of interfacial heating. The top thin CNT membrane with excellent light adsorption capability acted as photothermal component, which harvested and converted almost the entire incident light to heat for exclusive heating of interfacial water. On the other hand, the macroporous silica substrate provided multifunctions toward further improvement of operation stability and water evaporation performance of the material, including water pumping, mechanical support, and heat barriers. The silica substrate was conducive in forming the rough surface structures of the CNT top layers during vacuum filtration and thus indirectly contributed to high light adsorption by the top CNT layers. With optimized thicknesses of the CNT top layer and silica substrate, a solar thermal conversion efficiency of 82% was achieved in this study. The bilayered material also showed great performance toward water evaporation from seawater and contaminated water, realizing the separation of water from pollutants and indicating its application versatility

Hydrogen generation through photoelectrochemical (PEC) water splitting using solar light as an energy resource is believed to be a clean and efficient way to overcome the global energy and environmental problems. Extensive research effort has been focused on n-type metal oxide semiconductors as photoanodes, whereas studies of p-type metal oxide semiconductors as photocathodes where hydrogen is generated are scarce. In this paper, highly efficient and stable copper oxide composite photocathode materials were successfully fabricated by a facile two-step electrochemical strategy, which consists of electrodeposition of a Cu film on an ITO glass substrate followed by anodization of the Cu film under a suitable current density and then calcination to form a Cu2O/CuO composite. The synthesized Cu2O/CuO composite was composed of a thin layer of Cu2O with a thin film of CuO on its top as a protecting coating. The rational control of chemical composition and crystalline orientation of the composite materials was easily achieved by varying the electrochemical parameters, including electrodeposition potential and anodization current density, to achieve an enhanced PEC performance. The best photocathode material among all materials prepared was the Cu2O/CuO composite with Cu2O in (220) orientation, which showed a highly stable photocurrent of −1.54 mA cm−2 at a potential of 0 V vs reversible hydrogen electrode at a mild pH under illumination of AM 1.5G. This photocurrent density was more than 2 times that generated by the bare Cu2O electrode (−0.65 mAcm−2) and the stability was considerably enhanced to 74.4% from 30.1% on the bare Cu2O electrode. The results of this study showed that the top layer of CuO in the Cu2O/CuO composite not only minimized the Cu2O photocorrosion but also served as a recombination inhibitor for the photogenerated electrons and holes from Cu2O, which collectively explained much enhanced stability and PEC activity of the Cu2O/CuO composite. Thus, the electrochemical strategy proposed in this study for the synthesis of the Cu2O/CuO composite opens a new way to use copper oxides as photocathode materials in PEC cells for a highly stable and effective water splitting.

Bamboo-based activated carbon was prepared with a microwave-induced activation process using phosphoric acid as the activating agent. The effects of various factors such as microwave power, radiation time and phosphoric acid/carbon ratio on the activation have been studied. The optimal activation conditions were determined as: microwave power 350 W, radiation time 20 min and phosphoric acid/carbon ratio 1:1, under which a surface area of 1432 m2/g and a carbon yield of 48% could be reached. The surface chemical properties were characterized with several methods including acid–base titration, point of zero charge (pHpzc) measurement, FTIR spectra and XPS spectra. The results demonstrated the existence of a large amount of acidic groups on the carbon surface, and the species and relative contents of these groups were analyzed in detail. Comparisons with the conventional thermal process demonstrated that the microwave-induced activation process had faster activation rate and higher carbon yield.