Advanced Science:电池-赝电容电荷存储耦合机制为CDI除氯脱盐铺设高速通道

电容去离子(CDI)技术具有效率高、易再生和易维护等优势,在脱盐、离子分离和离子回收等领域受到广泛关注。以活性炭为代表的碳基电极在电容去离子领域得到了广泛应用,但以双电层吸附机制主导的碳基电极存在脱盐容量低、稳定性差等问题,而基于法拉第机制的新型电容去离子电极具有脱盐容量高、电荷效率高和无同离子排斥效应等优点,成为目前研究热点。近年来,对于CDI电极材料研究,主要集中在脱钠电极材料,而对电极对氯离子的去除效率也会制约和影响系统的整体脱盐能力,因此,开发兼顾高脱盐容量和快脱盐速率的新型除氯电极有利于促进CDI脱盐技术的进一步发展。

有鉴于此,同济大学马杰教授团队、上海海洋大学于飞副教授团队和德国萨尔大学Volker Presser教授团队合作,基于电池-电容耦合机制,开发新型除氯Ag/Ti3C2Tx MXene电极,实现高容量、快速率、低能耗的除氯脱盐。相关成果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202000621)上。

利用低溶解度AgCl胶体作为前驱体,利用Ti3C2Tx还原特性,原位合成不同载银尺寸的Ti3C2Tx/Ag脱氯电极材料。Ag纳米颗粒的电池转化效应实现高脱氯容量,Ti3C2Tx的赝电容特性易于离子传输,以Ag纳米颗粒作为“Bridges”纵向连接导电性能优异的2D片层结构Ti3C2Tx,构建一个三维电子传输网络,弥补脱盐过程中形成的AgCl导电性差的缺点,加速电子在片层之间的传递,通过电池-电容耦合机制实现高容量、快速率、低能耗的除氯脱盐。该工作提出的电池-电容耦合机制,为开发实际应用的CDI除氯电极提供了一个全新的设计思路。

近年来,马杰教授团队致力于电容去离子技术在环境工程领域应用研究,团队成员合成具有电池行为过渡金属化合物–碳包覆磷酸钒钠(Na3V2(PO4)3@C);采用化学共沉淀法合成尖晶石型铁氧体ZnFe2O4,实现高容量、稳定、长寿命脱盐(Nano Lett. 2019, 19, 823,ESI高被引,Environ. Sci. Technol. Lett. 2020, 7, 118.)从传统的碳基电极材料到法拉第电极材料,电容去离子技术的性能和内涵得到巨大的提升和拓展,通过新型电极材料的设计和开发,对推动电容去离子技术的规模化应用具有重要意义。膜电极组装方面,采用“大小通吃”/“碱化组装“的膜电极设计策略,构建全MXene薄膜电极,有效推动MXene等二维片层材料电极的设计及其在电容去离子技术中的应用(Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 4554.,J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/D0TA06994A)。为进一步拓展和发挥电容去离子技术在水体污染物控制和资源化回收等环境领域应用的优势,开展电容去离子技术去除水体污染物、资源化回收水中的磷等开拓性研究(Water Res., 2020,184, 116100,J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 15999,J. Hazard. Mater., 2020, 382, 121039)。