Light-to-heat conversion in plasmonic nanoparticles (NPs) inside polymeric membranes is beneficial for improving the efficiency of membrane distillation for seawater desalination. However, the physical mechanisms ruling photothermal membrane distillation are unclear yet. Here, we model the plasmonic photothermal light-to-heat conversion from Ag, Au, and Cu nanofillers in polymeric membranes for membrane distillation. Photothermal effects in the cases of isolated metallic NPs and their assembly are investigated considering size effects and excitation sources. The increasing content of metallic NPs improves the efficiency of the light-to-heat conversion. For a polymeric membrane, filled with 25% Ag NPs, our model well reproduces the experimental temperature increase of 10 K. Specifically, we find that Ag NPs with a radius of around 30–40 nm are favorite candidates for membrane heating with excitation energy in the visible/near-UV range. The incorporation of a term associated with heat losses into the heat transfer equation well reproduces the cooling effect associated with vaporization at the membrane surface. Compared to Ag NPs, Au and Cu NPs show a broadened absorption cross section and their resonance has a nonlinear behavior with varying the excitation energy, better matching with sunlight radiation spectrum.

1.
E. B.
Dickerson
,
E. C.
Dreaden
,
X. H.
Huang
,
I. H.
El-Sayed
,
H. H.
Chu
,
S.
Pushpanketh
,
J. F.
McDonald
, and
M. A.
El-Sayed
,
Cancer Lett.
269
,
57
(
2008
).
2.
G.
von Maltzahn
,
A.
Centrone
,
J.-H.
Park
,
R.
Ramanathan
,
M. J.
Sailor
,
T. A.
Hatton
, and
S. N.
Bhatia
,
Adv. Mater.
21
,
3175
(
2009
).
3.
L. R.
Hirsch
,
R. J.
Staord
,
J. A.
Bankson
,
S. R.
Sershen
,
B.
Rivera
,
R. E.
Price
,
J. D.
Hazle
,
N. J.
Halas
, and
J. L.
West
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
100
,
13549
(
2003
).
4.
Y.
Liu
,
J.-J.
Yin
, and
Z.
Nie
,
Nano Res.
7
,
1719
(
2014
).
5.
A. G.
Skirtach
,
C.
Dejugnat
,
D.
Braun
,
A. S.
Susha
,
A. L.
Rogach
,
W. J.
Parak
,
H.
Mhwald
, and
G. B.
Sukhorukov
,
Nano Lett.
5
,
1371
(
2005
).
6.
M.
Bikram
,
A. M.
Gobin
,
R. E.
Whitmire
, and
J. L.
West
,
J. Controlled Release
123
,
219
(
2007
).
7.
F. Y.
Kong
,
J.-W.
Zhang
,
R.-F.
Li
,
Z.-X.
Wang
,
W.-J.
Wang
, and
W.
Wang
,
Molecules
22
,
1445
(
2017
).
8.
S.
Pillai
and
M. A.
Green
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
94
,
1481
(
2010
).
9.
Y.-C.
Ho
,
S.-H.
Kao
,
H.-C.
Lee
,
S.-K.
Chang
,
C.-C.
Lee
, and
C.-F.
Lin
,
Nanoscale
7
,
776
(
2015
).
10.
S.
Loeb
,
C.
Li
, and
J.-H.
Kim
,
Environ. Sci. Technol
52
,
205
(
2018
).
11.
G.
Ni
,
N.
Miljkovic
,
H.
Ghasemi
,
X.
Huang
,
S. V.
Boriskina
,
C.-T.
Lin
,
J.
Wang
,
Y.
Xu
,
M. M.
Rahman
,
Ti.
Zhang
, and
G.
Chena
,
Nano Energy
17
,
290
(
2015
).
12.
L.
Zhou
,
Y.
Tan
,
D.
Ji
,
B.
Zhu
,
P.
Zhang
,
J.
Xu
,
Q.
Gan
,
Z.
Yu
, and
J.
Zhu
,
Sci. Adv.
2
,
e1501227
(
2016
).
13.
R.
Rodríguez-Oliveros
and
J. A.
Sánchez-Gil
,
Opt. Express
20
,
621
(
2012
).
14.
J.
Liu
,
X.
Zheng
,
L.
Yan
,
L.
Zhou
,
G.
Tian
,
W.
Yin
,
L.
Wang
,
Y.
Liu
,
Z.
Hu
, and
Z.
Gu
,
ACS Nano
9
,
696
(
2015
).
15.
C. M.
Hessel
,
V. P.
Pattani
,
M.
Rasch
,
M. G.
Panthani
,
B.
Koo
,
J. W.
Tunnell
, and
B. A.
Korgel
,
Nano Lett.
11
,
2560
(
2011
).
16.
C.
Sun
,
L.
Wen
,
J.
Zeng
,
Y.
Wang
,
Q.
Sun
,
L.
Deng
,
C.
Zhao
, and
Z.
Li
,
Biomaterials
91
,
81
(
2016
).
17.
Y.
Jin
,
J.
Deng
,
J.
Yu
,
C.
Yang
,
M.
Tong
, and
Y.
Hou
,
J. Mater. Chem. B
3
,
3993
(
2015
).
18.
S.
Ghosh
,
T.
Avellini
,
A.
Petrelli
,
I.
Kriegel
,
R.
Gaspari
,
G.
Almeida
,
G.
Bertoni
,
A.
Cavalli
,
F.
Scotognella
, and
T.
Pellegrino
,
Chem. Mater.
28
,
4848
(
2016
).
19.
M.
Chu
,
X.
Pan
,
D.
Zhang
,
Q.
Wu
,
J.
Peng
, and
W.
Hai
,
Biomaterials
33
,
7071
(
2012
).
20.
O.
Neumann
,
A. S.
Urban
,
J.
Day
,
S.
Lal
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
ACS Nano
7
,
42
(
2013
).
21.
P. D.
Dongarea
,
A.
Alabastri
,
S.
Pedersen
,
K. R.
Zodrow
,
N. J.
Hogan
,
O.
Neumann
,
J.
Wu
,
T.
Wang
,
A.
Deshmukh
,
M.
Elimelech
,
Q.
Li
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
6936
(
2017
).
22.
H.
Lin
,
S.
Gao
,
C.
Dai
,
Y.
Chen
, and
J.
Shi
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
16235
(
2017
).
23.
K.
Vanherck
,
I.
Vankelecom
, and
T.
Verbiest
,
J. Membr. Sci.
373
,
5
(
2011
).
24.
G.
Baffou
,
Nature Photonics
(
Cambridge University Press
,
2017
), p.
320
.
25.
J. B.
Herzog
,
M. W.
Knight
, and
D.
Natelson
,
Nano Lett.
14
,
499
(
2014
).
26.
M.
Zhu
,
G.
Baffou
,
N.
Meyerbröker
, and
J.
Polleux
,
ACS Nano
6
,
7227
(
2012
).
27.
Y.
Xu
,
X.
Zhao
,
A.
Li
,
Y.
Yue
,
J.
Jiang
, and
X.
Zhang
,
Nanoscale
11
,
7572
(
2019
).
28.
P.
Biagioni
,
J. S.
Huang
, and
B.
Hecht
,
Rep. Prog. Phys.
75
,
024402
(
2012
).
29.
Z.
Qin
and
J. C.
Bischof
,
J. Chem. Soc. Rev.
41
,
1191
(
2012
).
30.
L.
Zhou
,
D. F.
Swearer
,
C.
Zhang
,
H.
Robatjazi
,
H.
Zhao
,
L.
Henderson
,
L.
Dong
,
P.
Christopher
,
E. A.
Carter
, and
P.
Nordlander
,
Science
362
,
69
(
2018
).
31.
L.
Hu
,
S.
Gao
,
X.
Ding
,
D.
Wang
,
J.
Jiang
,
J.
Jin
, and
L.
Jiang
,
ACS Nano
9
,
4835
(
2015
).
32.
A.
Politano
,
P.
Argurio
,
G.
Di Profio
,
V.
Sanna
,
A.
Cupolillo
,
S.
Chakaraborthy
,
H. A.
Arafat
, and
E.
Curcio
,
Adv. Mater.
29
,
1603504
(
2017
).
33.
P.
Wang
and
T.-S.
Chung
,
J. Membr. Sci.
474
,
39
(
2015
).
34.
M. A. E.-R.
Abu-Zeid
,
Y.
Zhang
,
H.
Dong
,
L.
Zhang
,
H.-L.
Chen
, and
L.
Hou
,
Desalination
356
,
1
(
2015
).
35.
E.
Drioli
,
A.
Ali
, and
F.
Macedonio
,
Desalination
356
,
56
(
2015
).
36.
L.
Zhou
,
Y.
Tan
,
J.
Wang
,
W.
Xu
,
Y.
Yuan
,
W.
Cai
,
S.
Zhu
, and
J.
Zhu
,
Nat. Photonics
10
,
393
(
2016
).
37.
V.
Thakore
,
J.
Tang
,
K.
Conley
,
T.
Ala-Nissila
, and
M.
Karttunen
,
Adv. Theory Simul.
2
(
1
),
1800100
(
2018
).
38.
S.
Dal Forno
,
L.
Ranno
, and
J.
Lischner
,
J. Phys. Chem. C
122
,
8517
(
2018
).
39.
G.
Baffou
and
R.
Quidant
,
Laser Photonics Rev.
7
,
171
(
2013
).
40.
G.
Baffou
,
R.
Quidant
, and
F. J.
Garcia de Abajo
,
ACS Nano
4
,
709
(
2010
).
41.
G.
Baffou
,
R.
Quidant
, and
C.
Girard
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
153109
(
2009
).
42.
H. H.
Richardson
,
Z. N.
Hickman
,
A. O.
Govorov
,
A. C.
Thomas
,
W.
Zhang
, and
M. E.
Kordesch
,
Nano Lett.
6
,
783
(
2006
).
43.
B. S.
Lukyanchuk
,
A. E.
Miroshnichenko
,
M. I.
Tribelsky
,
Y. S.
Kivshar
, and
A. R.
Khokhlov
,
New J. Phys.
14
,
093022
(
2012
).
44.
A. O.
Govorov
,
W.
Zhang
,
T.
Skeini
,
H.
Richardson
,
J.
Lee
, and
N. A.
Kotov
,
Nanoscale Res. Lett.
1
,
84
(
2006
).
45.
H. H.
Richardson
,
M. T.
Carlson
,
P. J.
Tandler
,
P.
Hernandez
, and
A. O.
Govorov
,
Nano Lett.
9
,
1139
(
2009
).
46.
S. J.
Norton
and
T.
Vo-Dinh
,
J. Appl. Phys.
119
,
083105
(
2016
).
47.
Vu T. T.
Duong
,
A. D.
Phan
,
N. T. H.
Lien
,
D. T.
Hue
,
D. Q.
Hoa
,
D. T.
Nga
,
T. H.
Nhung
, and
N. A.
Viet
,
Phys. Status Solidi A
215
,
1700564
(
2018
).
49.
A.
Politano
,
G.
Di Profio
,
E.
Fontananova
,
V.
Sanna
,
A.
Cupolillo
, and
E.
Curcio
,
Desalination
451
,
192
(
2019
).
50.
G.
Baffou
,
P.
Berto
,
E. B.
Urena
,
R.
Quidant
,
S.
Monneret
,
J.
Polleux
, and
H.
Rigneault
,
ACS Nano
7
,
6478
(
2013
).
52.
R.
Ambrosio
,
A.
Carrillo
,
M. L.
Mota
,
K.
de la Torre
,
R.
Torrealba
,
M.
Moreno
,
H.
Vazquez
,
J.
Flores
, and
I.
Vivaldo
,
Polymers
10
,
1370
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.