南京大学，杰青+优青，Nature Sustainability！
2025-08-05
4586
研究背景
氨气（NH₃）是一种重要的含氮化工原料，因其在肥料、化学品合成等领域中的广泛应用而备受关注。与传统的合成方式相比，直接从含铵废水中回收氨气不仅能实现资源回收，还可降低环境污染和能耗，具有显著的经济与生态优势。然而，现有回收方法往往依赖大量碱性试剂和电加热手段，不仅造成资源浪费，还面临高能耗和运行成本问题，因此带来了绿色高效氨气回收的重大挑战。
鉴于此，南京大学朱嘉（国家杰青）、徐凝（国家优青）团队合作在“Nature Sustainability”期刊上发表了题为“Solar-driven efficient and selective ammonia recovery from ammonium-containing wastewater”的最新论文。该团队设计了一种新型浮式氨基修饰MXene（Ti₃C₂）多孔海绵材料（AMS），在不添加任何额外试剂和能源输入的条件下，实现了高效、可持续的氨气回收。该材料在水面形成局部碱性环境，通过‒NH₂基团捕获H⁺，推动NH₄⁺水解反应的正向进行；
同时，MXene的光热特性使其能够高效吸收太阳能并加热水界面，促进NH₃快速蒸发。利用该策略，研究团队在5倍太阳光照强度下，从氯化铵废水中获得了0.6 mol·m⁻²·h⁻¹、纯度高达99.8%的氨气回收率，且回收氨可直接用作氮肥。
研究亮点
（1）本实验首次提出并实现了基于浮式氨基修饰MXene（Ti₃C₂）多孔海绵（AMS）的太阳能驱动氨气（NH₃）回收策略，实现了无须额外碱性试剂和电加热的高效NH₃回收。
（2）实验通过设计氨基修饰的MXene材料，在水面形成局部碱性环境，利用‒NH₂基团捕获H⁺离子，促进NH₄⁺的水解反应向生成NH₃方向平衡移动；同时利用Ti₃C₂的高效光热转化性能，实现界面太阳能加热，促进NH₃快速蒸发并通过冷凝回收纯度高达99.8%的氨气溶液。
（3）实验在5倍太阳光强度下，以氯化铵废水为模型，实现了0.6 mol m⁻² h⁻¹的高回收速率，回收的NH₃可直接用作氮肥，展现出良好的实际应用潜力。
（4）通过增强光照至15倍太阳强度，AMS材料可被完全再生，恢复初始性能，并同时获得副产物盐酸，实现资源的进一步利用和废水排放量的减少。
图文解读
图1 | 传统NH₃回收与太阳能驱动NH₃回收设计的对比。
图2 | AMS的制备与表征。a. AMS的制备流程。
图3 | 太阳能驱动NH₃回收的性能与分离机制。
图4 | AMS的户外实际应用。
图5 | 生命周期与全球潜力分析。
结论展望
本研究提出了一种绿色、高效的太阳能驱动氨气回收策略，科学启迪在于通过材料设计与能量利用方式的协同创新，实现了传统资源回收路径的重大转变。相比以往依赖大量碱性试剂与电加热的方式，本文通过氨基修饰MXene材料在水面形成局部碱性环境，并结合界面光热效应，巧妙地推动了NH₄⁺水解反应的正向进行与NH₃的高效蒸发，从而大幅降低了资源与能源消耗。这一策略不仅提高了氨气的回收效率，还具备材料可再生、副产物可利用等多重优势，展示了以太阳能为驱动、以功能材料为核心的废水资源化利用新思路。更重要的是，该方法具备良好的环境与经济适应性，为未来氨气回收与广泛废水处理技术提供了可持续的技术路径和理论依据，具有广阔的推广前景。
原文详情：
Zhang, Q., Wei, T., Fei, M. et al. Solar-driven efficient and selective ammonia recovery from ammonium-containing wastewater. Nat Sustain (2025).
https://doi.org/10.1038/s41893-025-01609-6
