姜杭, 谷昊辉, 梁峰, 何冈骏, 田宇

高等学校化学学报 2024, 45 (12): 20240403-. DOI:10.7503/cjcu20240403

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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.

由图1可见，在BN气凝胶中，位于2θ=26.6°和41.5°处的衍射峰分别对应标准卡片h-BN （ICDD No.85-1068）的（002）和（100）晶面，表明制备的BN为六方氮化硼气凝胶. 所制备的TiN为金黄色粉体，其XRD谱图中位于2θ=36.8°， 42.8°， 62.1°， 74.4°和78.3°处的峰分别对应TiN（ICDD No.87-0632）的（111），（200），（220），（311）和（222）晶面，衍射峰尖锐且无杂峰，说明所制备的 TiN具有高纯度和高结晶度. 复合气凝胶的XRD谱图中同时出现了h-BN和TiN的衍射特征峰，表明通过真空浸渍方法在h-BN气凝胶中原位生成了TiN. 随着浸渍溶液中Ti4+浓度的增加，位于2θ=36.8°和42.8°处的TiN特征峰的相对强度逐渐增强， h-BN特征峰的相对强度逐渐降低，表明TiN物相在复合气凝胶中的相对含量逐渐增加. 从样品的数码照片（图S1，见本文支持信息）可以看出，样品的颜色随着浸渍溶液中Ti4+浓度的增加而逐渐加深， T4样品表面出现了金黄色，进一步表明了样品中TiN含量的增加，该结果与XRD谱图相符.

图2为样品的XPS谱图，由样品的XPS全谱图可知， h-BN中含有N， B， C和O元素［图2（A）］，其中， O元素来源于样品表面吸附的水或未反应完全的氧化硼［22］； TiN样品中含有Ti， N， C和O元素，其中， O元素是由于氮化钛表面氧化所致［23］； T3样品的元素组成包括Ti， N， B， C和O，说明样品中含有氮化钛和氮化硼. 此外， 3个样品中的C元素为加入的标定元素. 图2（B）为h-BN气凝胶与T3中B₁_s_{的XPS精细谱图，在192.5和190.6 eV处的两个特征峰分别对应B—O和B—N结合键，其中B—N键是构成六方氮化硼的结构骨架. 与h-BN相比， T3中B—O键含量显著降低，表明尿素作为氮源在生成氮化钛的同时，可消耗h-BN基体中未反应完全的氧化硼. N₁_s 的高分辨XPS谱图中位于399.2， 398.2和397.1 eV处的3个特征峰分别对应N—O， B—N和Ti—N结合键［图2（C）］. BN的主强峰对应B—N键特征峰， T3的主强峰同为B—N键. 此外， T3中还存在与TiN主强峰相吻合的Ti—N结合键，表明T3中TiN和h-BN两相的成功复合. 图2（D）为样品中Ti的2p_1/2和2p_2/3的XPS精细谱图，其中，强度较高的2p_2/3的特征峰分别对应Ti—O键（458.5 eV）， Ti—O—N键（456.2 eV）和Ti—N键（454.9 eV）. 与TiN相比， T3中Ti元素的特征峰向高结合能方向发生了偏移，这可能是由于T3中TiN与基体h-BN之间发生了电子转移所致［24］.}

图S2（见本文支持信息）为水在不同气凝胶表面的接触角对比图，水在h-BN气凝胶上表面的润湿角为145°，表明单相h-BN气凝胶呈现较高的疏水特性，这是由于h-BN中B和N原子间的sp2共价键部分为离子键，使得B—N键更强，更难断裂，且h-BN特殊的原子平面堆积序列使其相邻平面间形成一种强相互作用， h-BN表面具有较高的化学惰性［30］. 随着纳米TiN/h-BN纤维复合气凝胶中TiN含量的增加，水在气凝胶表面的润湿角逐渐下降，在T3表面的润湿角降至0°，实现超亲水，水能够在T3表面完全润湿和迅速铺展，这是由于TiN含量的上升提高了气凝胶表面的粗糙度，且纳米TiN颗粒表面存在大量的—OH亲水基团所致［31］. 样品压实后的水接触角如图S3（见本文支持信息）所示， TiN含量的增加使样品的水润湿角降至0°，进一步表明TiN的引入提高了气凝胶对水的润湿性. 复合气凝胶的超亲水特性可有效增加水与气凝胶表面的接触面积，促进水在材料表面的均匀分布和快速蒸发，提高水的蒸发速率.