纯度99.8%! 南京大学Nature Sustainability: 这个”海绵”+太阳能搞定氨回收！

邃瞳科学云

2025-08-02

导读：本文提出一种太阳能驱动NH3回收策略：利用具有局部碱性环境和水面界面热的漂浮式氨基接枝（-NH2）MXene（Ti3C2）基海绵（AMS）来实现高效NH3回收。

通讯作者：徐凝，朱嘉

通讯单位：南京大学

论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41893-025-01609-6

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从含铵（NH₄⁺）废水中回收氨（NH₃），可实现资源回收与废水处理。然而，由于NH₃的回收涉及可逆的NH₄⁺水解反应，传统方法通常依赖碱性反应物推动反应正向进行，并且需要加热来回收NH₃，导致能耗高、成本大。为此，本文提出一种太阳能驱动NH₃回收策略：利用具有局部碱性环境和水面界面热的漂浮式氨基接枝（-NH₂）MXene（Ti₃C₂）基海绵（AMS）来实现高效NH₃回收。-NH₂基团对H⁺的捕获作用与界面光热蒸发NH₃协同促进了NH₃的高效可持续回收。以氯化铵（NH₄Cl）废水为例，在5 sun照射下，无需额外试剂和能耗，即可实现0.6 mol m^-2 h^-1的NH₃回收率，NH₃纯度高达99.8%，且回收的NH₃可直接用作氮肥。此外，该氨基接枝的MXene基海绵在15 sun照射下可完全再生，恢复至初始性能，并在再生过程中产生有价值的副产品——盐酸。生命周期与技术经济评估结果进一步凸显了该太阳能驱动NH₃回收策略在环境友好性和经济可行性方面的优势。

背景介绍

NH₃作为重要的含氮原料，全球年需求量达数亿吨，传统的哈伯–博施法虽应用广泛，但能耗高、碳排放大。同时，氨在化肥、碳酸钠的生产过程中大量损失，并以含NH₄⁺废水形式排放。因此，从含NH₄⁺废水中回收NH₃具有资源利用与环境治理的意义。然而，该过程涉及可逆的NH₄⁺水解反应，传统方法依赖大量碱性试剂来结合H⁺，并需要电加热蒸发NH₃，造成资源与能源浪费。因此，亟需开发绿色、高效的替代策略。近年来，界面太阳能加热技术凭借局部光热效应，在蒸发、废水处理等领域展现出高效利用太阳能的潜力。基于此，本文提出利用漂浮式氨基接枝（-NH₂）MXene（Ti₃C₂）基海绵（AMS）实现太阳能驱动的NH₃回收策略。AMS在水面阳光下形成可逆的局部碱性环境和界面热，捕获H⁺促进NH₄⁺水解，同时高效蒸发NH₃并冷凝收集，整个过程无需外加试剂或能量。该系统还能在强光照下再生，并副产有价值的盐酸，兼具环境效益与经济优势。

图1：传统NH₃回收与设计的太阳能驱动NH₃回收的比较。

图文解析

AMS以三维多孔碳化海绵为基底，通过Ti–O–Si键将-NH₂基团牢固接枝在Ti₃C₂ MXene表面，具有漂浮性和丰富的H⁺捕获位点。AMS材料设计为Janus结构，上层疏水、下层亲水，有助于维持界面光热效应并提升抗污染能力。研究表明，AMS对太阳光具有约96%的高吸收率，显著高于原始海绵，展现出良好的光热转换能力，在10 sun照射下表面温度可达320°C，可有效驱动NH₃蒸发。FTIR、XPS测试进一步确认了-NH₂基团的成功接枝及其稳定性。此外，HCl程序升温脱附实验显示-NH₂基团可在200–400°C范围内高效捕获H⁺，并可在更高的太阳光强度下实现再生。

图2：AMS的制备和表征。

AMS通过局部光热效应和-NH₂基团选择性吸附H⁺，实现NH₃与HCl的有效分离。在5 sun照射下收集的NH₃溶液的纯度高达99.8%，回收率为0.6 mol m^-2 h^-1，金属离子显著去除，水质接近自来水水平。理论计算和实验表明，-NH₂对H⁺具有强亲和力，而对NH₃亲和力弱，使NH₃易挥发。AMS可通过高强度光照再生并重复使用，且在多种铵盐废水（例如(NH₄)₂SO₄、(NH₄)₂CO₂和CH₃COONH₄）中均适用。

图3：太阳能驱动的NH₃回收的性能和分离机制。

大型原型装置在自然阳光下运行，一天内可从真实的含NH₄⁺废水中回收约280 mL的NH₃溶液，处理废水量达1.12 L m^-2，展现良好的实际回收能力。冷凝液中COD及主要金属离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺）去除率均超99%，说明界面太阳能加热技术可有效去除有机污染物和主要金属离子，保证NH₃溶液纯度。回收NH₃溶液可直接用作氮肥，种植实验证明其无毒性且能促进作物生长，验证了该策略在农业中的可行性和实用价值。

图4：AMS的户外实际应用。

进一步对该系统的生命周期和技术经济进行了评估：利用太阳能驱动的NH₃回收系统在中国多地具备大规模应用潜力，年回收NH₃和HCl分别达16.52和5.89 kg m^-2 yr^-1（以江苏为例）。生命周期分析表明，每回收1吨NH₃仅排放0.102吨CO₂e，远低于Haber–Bosch法（3.27吨CO₂e）和光伏制氨（1.13吨CO₂e）。技术经济分析显示，每平方米 AMS 的净利润可达91.3美元/年，投资回报率为29%，投资回收期仅3.48年，具有良好的经济效益和收益。