Energy Technology:聚吡咯——一种应用于海水淡化的新型储氯电极

万物之本起源于生命,而水是生命之源。“三山七水一分田”,地球被看作是“水球”,人类因而沉迷于淡水是取之不尽且用之不竭的神话中。然而,实际情况是,地球上淡水资源至多占总水量的3%,可供人类直接利用的淡水资源更是少之又少。工业化的快速发展和人口的迅速增长使得淡水的需求量大大增加,现有的天然淡水资源面临着巨大的压力。世界资源研究所最新数据显示,17个国家每年消耗他们所有可用水量的80%,目前,超过二十五亿的人生活在一年中至少有一个月严重缺水的地区。相反地,海水资源占地球水资源总存储量的97%,可谓是非常丰富,但是海水却无法供人类直接使用。面对淡水资源日益恶劣的形势,人类不得不另辟蹊径,提出了海水淡化这个概念,由此越来越多的海水淡化技术被研究出来以增加和确保淡水供应。

常见的海水淡化技术一般包括反渗透(RO)、热蒸馏、电渗析(ED)、电容海水淡化(CDI)等。目前,反渗透和热蒸馏技术被广泛应用。反渗透技术是通过泵将给水加压至远高于其渗透压,以将水分子泵入通常不透盐离子的膜。蒸馏法是通过加热海水使之沸腾汽化,再把蒸汽冷凝成淡水。然而,这两种技术都存在以下缺点:工厂的投资额巨大,技术的生物降解性差,能耗高,沿海地区和近城市环境的地理局限性。电渗析技术是在电场作用下利用离子交换膜来淡化海水,其脱盐效率不如反渗透。在此基础上,人类又开发了一种低能耗、环保的CDI技术,然而由于该技术盐离子主要存储在纳米孔碳的表面,脱盐的效率较低。

利用法拉第电极进行海水淡化是另一种创新的海水淡化技术,它是通过在对应的电极材料中电化学储存钠离子和氯离子来实现的。由于法拉第电极材料具有优异的脱盐能力,并且可以使钠离子和氯离子通过充放电的方式不断存储和释放,该海水淡化技术的概念被认为是很有前途的。这种海水淡化体系可以看作是一种以最低的能耗实现海水淡化的海水淡化电池。

目前的海水淡化电池研究中,对于存储氯离子侧的电极材料,Ag/AgCl的高成本和低导电性及Bi/BiOCl充放电过程中体积膨胀导致的容量衰减和低导电性限制了其在海水淡化中的实际大规模使用,故而海水淡化电池的发展关键在于发现高效、稳定、实用的存储氯离子的电极。导电聚合物除了可以存储氯离子,其在脱嵌氯的过程中体积变化非常小,有望作为海水淡化电池中存储氯离子的电极材料。

南京工业大学材料学院赵相玉课题组通过化学原位聚合将聚吡咯均匀的生长在碳纳米管的表面,制备了氯掺杂聚吡咯,将其应用于海水淡化的储氯电极,并构建了一种由氯掺杂聚吡咯负极、Na0.44MnO2正极和NaCl电解液组成的新型的基于法拉第反应的海水淡化电池。相关研究结果发表在Energy Technology(DOI:10.1002/ente.201900835)上,为海水淡化用储氯电极的研究提供了新的思路。