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4为h-BN与T3的TEM照片，由图4（A）可见， h-BN呈现为一维纤维结构，表面光洁. HRTEM照片显示出明显的晶格条纹，晶面间距为0.33 nm［图4（A）左下插图］，与h-BN的（002）晶面相对应［26］. 选区电子衍射（SAED）结果表明，纤维具有明显的多晶环，分别对应于h-BN的｛002｝，｛100｝和｛112｝ 3个晶面族，表明BN具有较好的结晶度［图4（A）右上插图］. T3中h-BN纤维表面粗糙，附着了大量直径约30～100 nm的TiN颗粒，在HRTEM照片中，观察到两种不同的晶格条纹，晶格间距分别为0.33和0.21 nm［图4（B）左下插图］，分别对应h-BN的（002）晶面和TiN的（200）晶面［27］. SAED结果中除了观察到BN的多晶环外，还明显观察到TiN的多晶环，分别对应于TiN的｛220｝，｛100｝和｛111｝晶面族［图4（B）右上插图］. 此外，能量色散谱（EDS）结果表明， T3中含有Ti， N和B元素，且元素分布均匀（图5），进一步证实了T3中纤维表面均匀附着了TiN颗粒，与XRD， XPS和SEM的结果一致.