Advanced Materials:高效率水淡化电极材料:普鲁士蓝/聚苯胺空心管状复合材料

电容去离子(Capacitive Deionization,简称CDI)是一种基于电化学双电层理论的电吸附脱盐技术。与其他的水处理技术相比,CDI具有成本低、能耗低、器件易小型化、电极易再生的优点。除了苦咸水脱盐,CDI还可应用于工业废水处理、城市用水软化、土壤重金属离子去除以及生物分子的分离等方面。由于碳材料电荷存储电容较低且面临同离子排斥等副反应,现有的CDI技术仍然存在脱盐效率低、吸附速率慢、循环寿命短等问题。因此,研究并开发高性能的新型CDI电极具有重要意义。

浙江工业大学高从堦院士、沈江南教授、曹澥宏教授团队及其他合作者提出了一个基于界面和微纳结构工程的脱盐增强策略,开发的普鲁士蓝/聚苯胺空心管状复合材料(PB/PANI)表现出优异的脱盐性能,且适用于不同浓度的苦盐水脱盐,展示了其实际应用潜力。研究者们继而对该复合电极材料的电子态密度、界面电荷分布、离子扩散状况、表面吸附特性等方面进行了深入分析,并结合原位分析手段监测活性物质的晶体结构在脱盐/再生过程中的动态变化,揭示了PB/PANI的协同作用和脱盐机制。最后,他们提出了一种将CDI脱盐过程中储存的能量转化成电能的方法,进一步降低了这一脱盐技术的能耗。该项工作有望为CDI电极材料的相关基础科学研究提供重要的理论基础和实验依据,有助于促进CDI技术在海水淡化与水处理应用领域的发展。

相关成果以“Enabling Superior Sodium Capture for Efficient Water Desalination by a Tubular Polyaniline Decorated with Prussian Blue Nanocrystals”为题发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201907404)。施文慧博士为第一作者,沈江南教授和曹澥宏教授为共同通讯作者,其他合作单位有新加坡科技研究局高性能计算研究所、新加坡科技与设计大学和西湖大学

该研究受到国家自然科学基金(51702286, 51602284&51972286)和浙江省自然科学基金(LR19E020003)资助。

PB/PANI电极的CDI脱盐性能及机制研究