纳米TiN/h-BN纤维复合气凝胶的制备及光热海水淡化性能 高等学校化学学报    2024, 45 (12): 20240403-.   DOI:10.7503/cjcu20240403

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

正文中引用本图/表的段落

由图6可见， 单相h-BN气凝胶仅在紫外光区有吸收， 其吸收边为210 nm， 带隙宽度约为6 eV. 复合气凝胶具有广泛的太阳光吸收能力， 吸收波段覆盖整个太阳光谱范围（200~2500 nm）. 随着氮化钛含量的增加， 复合气凝胶对光的吸收强度先增加后降低， 其中， T3对可见光的吸收强度最强. T4对光的吸收强度降低， 可能是由于氮化钛含量的增加导致样品中孔结构减少、 体积密度增加、 样品接触光照的面积减小、 光线接触到光响应材料氮化钛的相对几率变小， 从而降低了样品对光的利用率， 导致T4的光吸收能力减弱. 复合气凝胶在约750 nm处有显著的吸收峰， 纳米氮化钛颗粒表面电子与光子相互作用， 电子的振荡与光子达到共振， 光子能量有效地被电子的共振吸收， 产生了局部表面等离子共振吸收峰［28］. 该吸收峰随着氮化钛含量的增加逐渐蓝移， 单相TiN粉体吸收峰约在450 nm处， 可能由于样品中氮化钛含量和晶粒尺寸增加所致， 样品中含自由电子的Ti—N键增多， 使物体颗粒表面导电电子数增加， 导致等离子体共振吸收峰蓝移［29］.

在1 kW/m2模拟太阳光照射下， 不同气凝胶的表面温度随时间变化的曲线如图7所示. 由图7（A）可知， h-BN气凝胶的表面温度上升缓慢， 在200 s内温度从18.4 ℃增至33.4 ℃， 而后达到平衡， 温 度升高了15 ℃. 纳米TiN/h-BN纤维复合气凝胶的平衡温度均高于单相h-BN气凝胶， 其中， T3的表面温度在100 s内增加到平衡温度66.8 ℃， 升高了48.4 ℃， 是单相h-BN气凝胶的3.2倍. 该结果表明， 纳米TiN粉体的等离子体共振特性显著提高了单相h-BN气凝胶的光热转换效率. 随着复合气凝胶中TiN含量的增加， 气凝胶表面的平衡温度先增加后下降， 在h-BN纤维表面原位生成纳米TiN粉体提高了样品对光的吸收， 从而使气凝胶表面的平衡温度升高. 然而， T4的表面温度低于T3， 可能是由于 大量的TiN颗粒集聚堵塞了气凝胶的气孔. 光线照射到气孔中会发生反射与折射， 进而增加光线在样品中的传输路径， 孔结构的减少会导致样品接触光照的有效面积减小， 降低了样品的光吸收能力， 结合UV-Vis-NIR的测试结果（图6）可佐证. 在降温阶段， 所制备的气凝胶材料均能在200 s内降低到 室温， 表明h-BN纤维与纳米TiN/h-BN复合纤维具有良好的传热性能， 纳米TiN具有较高的热导率 （29 W·m?1·K?1）， 将其与h-BN纤维复合可以改善样品的热导率［32］， 进而使热量在气凝胶骨架中快速传递， 实现整体样品的快速加热， 提高热量的利用率. 在不同的太阳光辐射强度下， T3表面的温度随时间变化的曲线如图7（B）所示. T3表面的升温速率随太阳光辐射强度的增加而提高， 太阳光辐射强度为5 kW/m2时， 升温速率为1.12 ℃/s， 是1 kW/m2时的2.1倍， 复合气凝胶表面温度上升速率随光辐射强度的增加而提高， 表明样品对光具有较高的灵敏度. 在1 kW/m2模拟太阳光下， 采用红外相机捕捉了T3表面温度的变化［图7（C）］， 表明复合气凝胶可有效捕获光辐射并转化为热能， 使气凝胶表面迅速升温， 具有优异的光热转换性能.

本文的其它图/表

• Fig.1  XRD patterns of the as⁃synthesized samples
• Fig.2  Survey(A), B_1s (B), N_1s (C) and Ti_2p (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.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
• Fig.9  Cation elimination of artificial seawater