纳米TiN/h-BN纤维复合气凝胶的制备及光热海水淡化性能

doi:10.7503/cjcu20240403

摘要/Abstract

摘要：

以三聚氰胺(C₃H₆N₆)、硼酸(H₃BO₃)、乙醇(C₂H₅OH)、尿素[CO(NH₂)₂]和四氯化钛(TiCl₄)为原料, 通过真空浸渍法和原位反应制备了纳米氮化钛/六方氮化硼纤维复合气凝胶新型光热转换材料(TiN/h-BN), 并用于太阳能海水淡化. 研究了复合气凝胶的光热蒸发性能以及对海水中阳离子的去除效果. 结果表明, 纳米氮化钛颗粒原位生长在氮化硼纤维表面, 显著提高了气凝胶的光吸收性、水润湿性和光热转换性能. 在模拟1个太阳光(1 kW/m²)照射下, 复合气凝胶在100 s内表面温度上升至平衡温度66.8 ℃, 对光辐射具有较高的吸收和转换能力, 其水蒸发速率为2.88 kg·m^‒2·h^‒1, 蒸发效率为93%, 并展现出优异的循环使用性能, 对人工海水中阳离子的去除率高达99.9%, 在海水淡化领域具有良好的应用前景.

关键词: 氮化钛, 氮化硼气凝胶, 光热转换, 海水淡化

Abstract:

In this paper， a novel nano titanium nitride/hexagonal boron nitride（TiN/h-BN） fiber composite photothermal aerogel was synthesized using melamine（C₃H₆N₆）， boric acid（H₃BO₃）， ethanol（C₂H₅OH）， urea ［CO（NH₂）₂］ and titanium tetrachloride（TiCl₄） as raw materials， through vacuum impregnation and in situ reaction methods. The photothermal conversion and seawater desalination properties of the composite photothermal aerogel were evaluated. The results indicate that titanium nitride nanoparticles were in situ grown on the surface of boron nitride fibers， which significantly improved the light absorption， water wettability and photothermal conversion properties of the aerogel. Under artificial sunlight illumination（1 kW/m²）， the surface temperature of the composite aerogel rose to 66.8 ℃ equilibrium temperature within 100 s， demonstrating high optical absorption and efficient solar-to-thermal conversion. As a result， the composite photothermal aerogel presented a water evaporation rate of 2.88 kg·m^‒²·h^‒¹ with an evaporation efficiency of 93%. Additionally， the TiN/h-BN composite photothermal aerogel possessed excellent cycle stability with a removal rate of cation in artificial seawater as high as 99.9%， indicating great potential for application in seawater desalination.

Key words: Titanium nitride, Boron nitride aerogel, Photothermal conversion, Seawater desalination

中图分类号:

O644

TrendMD:

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图/表 10

Fig.1 XRD patterns of the as⁃synthesized samples

Fig.2 Survey(A), B1s (B), N1s (C) and Ti2p (D) XPS spectra of BN, T3 and TiN samples

Fig.3 SEM images of BN(A), T1(B), T2(C), T3(D) and T4(E) samples

Fig.4 TEM images of h⁃BN(A) and T3(B) samples

Fig.5 TEM image(A), EDS elemental mappings of N(B), B(C), Ti(D) of T3 sample

Fig.6 UV⁃Vis⁃NIR absorption spectra of different samples

Fig.7 Temperature change curves of different samples surfaces with time at 1 kW/m2 simulated light irradiation(A), temperature change curves of T3 under different light irradiations(B), infrared images of T3 at 1 kW/m2 simulated light irradiation(C)

Fig.8 Cumulative mass changes of pure water for different samples under 1 kW/m2 light irradiation(A) and pure water and 3.5% NaCl solution for T3 sample under different light irradiations(B), evaporation rate test in 20 cycles(C), the TiN/h⁃BN composite aerogel produces water vapor under light irradiation(D)

Table 1 Comparison of the performance of photothermal materials for solar water evaporation

Photothermal material	Ι/（kW·m^‒2）	ν/（ kg·m^‒2·h^‒1）	η（%）	Ref.
TiN/h⁃BN（T3）	1	2.88	93	This work
C	1	1.37	87.5	［33］
SiO/PPy	1	2.17	94.17	［34］
Hydroxyapatite/CNT	1	1.34	89.4	［35］
Ti₃C₂T_x/CNT	1	2.10	93.4	［36］
Ti₂O₃	1	1.31	81.7	［37］
Co@C/NCNT	1	1.55	89.7	［38］

Fig.9 Cation elimination of artificial seawater

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