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三维有序多级微孔非碳电极高效电容脱盐海水淡化

时间:2023-05-18 09:21:51 点击:284次

【背景】

当前,全球面临着日益严峻的水污染危机和淡水资源短缺问题。 40%以上的人口缺乏干净的饮用水,世界上97%以上的沉积物是不能直接利用的海水和苦咸水。 这促使海水淡化技术的发展,可以去除海水和苦咸水中的盐分,获得干净的淡水,成为关系人类未来的关键技术。 然而,现有反渗透、闪蒸、电渗析等海水淡化技术的发展受到成本高、煤​​耗高、二次污染等问题的严重制约。 近年来,一种新型的高效、低成本、可扩展的海水淡化技术——电容去离子技术(以下简称CDI)逐渐得到发展。 它利用电容器的原理,在外加电场的作用下,将海水中的离子吸附到电极材料表面,从而实现海水淡化。 因此,作为核心成分的电极材料对CDI的性能起着决定性的作用。 最近报道的CDI电极材料大多是碳纳米材料。 然而,与商用活性炭类似,这些碳纳米材料大多仅利用双电层电容(以下简称EDLC)原理吸附海水中的离子,从而限制了电极材料对盐类的吸附能力(Salt,以下简称SAC)得到进一步改进。 同时,由于这种疏水性碳材料的孔隙结构缺乏针对性的调控,在电极中产生了不利于离子扩散的凹凸不平的多孔通道和不可触及的电极表面,从而增加了SAC和盐的吸附率(,以下简称SAR)。 为此,有必要开发基于新的离子吸附原理和孔结构调控的CDI电极材料。

【介绍】

日前,日本滑铁卢学院陈忠伟教授、余爱萍院长与曼彻斯特学院张子生院长共同报道了一种新颖的利用纳米工程技术设计合成高效CDI非碳电极材料的方法首次——三维有序分层微结构。 多孔渗碳钛(以下简称3DOM-TiN)(如图1所示)。 这些新型高效CDI电极材料具有以下优点:

以上优势明显协同提升了电极材料的SAC和SAR性能,使得3DOM-TiN电极实现了23.6 mgg-1的SAC和创纪录的最大SAR(3.2 mgg-1min-1)。 同时,3DOM-TiN电极材料突出了良好的再生性能和循环稳定性。 该研究成果最近以通讯方式发表在 ofA 上。 该论文的第一作者是博士。 来自加拿大学院的学生吴宇辰和来自滑铁卢学院的博士后江高鹏。

图1 三维有序分级孔渗碳钛电极(3DOM-TiN)电容脱盐过程示意图。

玻碳片电极(10_碳电极_玻碳电极铁氰化钾

[图解指南]

1.材料表征

图23:(a)SEM照片,(b)TEM图像,(c)DOM-TiN的甲烷吸附等温线和孔径分布图,(d)与块体TiN的XRD谱图比较,(e)谱图和( f ) 光谱。

如图2(ac)所示,3DOM-TiN具有相互连接的三维有序多级孔结构,包括聚合物模板留下的约100 nm的大孔和堆叠产生的10-15 nm的共聚物。 这些结构赋予3DOM-TiN高比表面积(141.6m2g-1)和高孔容(0.-1)。 XRD 光谱表明 3DOM-TiN 的含量高于块状 TiN。 XPS 光谱说明了具有二硅氧烷/氮二氧化硅和残留的充氮碳 (NCR) 涂层的表面。

2、电物理性能测试

玻碳片电极(10_玻碳电极铁氰化钾_碳电极

图3(a)不同电极材料的循环伏安曲线(CV); (b) 3DOM-TiN在不同扫描速率下的CV曲线; (c) 不同电极材料的比容量比较; (d) 3DOM-TiN 电极循环稳定性测试

图 4 (a) 3DOM-TiN 和 bulk-TiN 电极的阻抗谱和 (b) 粉末浊度测试; (cd) Dunn 法分析 3DOM-TiN 作为阳极和阴极的电容贡献以及相应的双电层电容 (EDLC) 和赝电容 (PC) 容量贡献比列比较。

电物理测试表明,3DOM-TiN电极材料的比容量为171.1 F/g,是Bulk-TiN电极的三倍,显着低于商用活性炭(AC)电极,循环稳定性高。 电物理阻抗谱和粉末浊度测试进一步阐明,与Bulk-TiN电极相比,上述特殊互连的三维有序分级孔结构和NCR涂层促使3DOM-TiN电极具有更高的电子浊度、更低的离子扩散阻力和更快的电荷转移过程。 邓恩容量分析更加清晰地阐明了3DOM-TiN电极双离子电吸附NaCl的机理,即阴极的赝电容(PC)贡献了50%以上的电容,而双电层电容(EDLC) )的阳极部分)占据了80%以上的容量。 也就是说,卤氨中的Na+既可以通过3DOM-TiN电极表面氧化层的快速物理吸附或插层反应进入电极,也可以通过产生双电层储存在电极中. Cl-主要以双电层形式储存在电极中。 因此,组装有 3DOM-TiN 电极的 CDI 装置在 NaCl 氨水中脱盐,其工作原理类似于锂离子/钠离子电容器。

3、电容器脱盐性能

图 5(a) SAC 与时间图; (bd) 不同电极材料的 SAR 与 SAC 图; 不同工作电流和处理盐含量的 SAR 与 SAC 图; (e) 文献中3DOM-TiN和CDI电极材料的比较; (f) CDI 循环测试。

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如图5所示,在平面对称CDI脱盐试验中,3DOM-TiN电极的SAC和SAR远低于商用AC电极和bulk-TiN电极,达到23.6mgg-1,创历史新高3.2 mgg-1min-1。 在不同电流和酸度的工作条件下,3DOM-TiN电极表现出优异的SAC和SAR性能。 与迄今为止报道的许多碳基和金属掺杂的CDI电极材料相比,3DOM-TiN电极表现出优异的性能。 在循环稳定性测试中,3DOM-TiN电极也表现出了良好的循环稳定性,循环测试后保持了90%以上的脱盐能力。

【总结】

除了阐明 3DOM-TiN 作为电容去离子电极材料的巨大潜力外,本研究进一步阐明了一种不同于传统基于双电层电吸附的碳基 CDI 电极材料的新型微孔非碳 CDI 电极材料. 电极材料的设计思路:选择具有双电层吸附和赝电容吸附双重吸附原理的非碳材料,以纳米工程设计有利于离子扩散和电子传导的三维有序分级微孔结构,从而最大限度地提高 CDI 电极的电容脱盐性能。

Wu,,Liu,Lui,Cano,,Zhen,Yu,,Chen,3DN-,ofA,2019,DOI:10.1039/

【通讯作者简介】

陈忠伟院士:滑铁卢学院物理工程系主任(of),美国工程院教授,滑铁卢学院电物理中心主任,国家首席科学家(CRC-),副教授国际电物理与能源科学大学校长,2018年度高被引科学家。 陈忠伟教授带领约70人的研究团队,致力于燃料板、金属-空气板、锂离子板、锂硫板、锂硅板、液流等储能组件的开发和产业化面板。 改变。 近年来,在,,,,,&,,Chem, 等国际知名期刊发表论文250余篇。迄今为止,文章被引用多次,H-为73,他也是ACS&的副主编。 课题组主页:

余爱萍院士:滑铁卢学院物理工程系主任(of)。 近年来,研究方向主要集中在碳纳米材料、超级电容器、多功能纳米复合材料、光催化纳米材料和新型水处理技术等研究领域。 近年来在,,,,&,,,,Nano, , Nano,ofA等国际知名期刊发表论文140余篇。迄今为止,文章被引用多次,与H- 为 48,同时也是 and 的副主编。 课题组主页:

张子生院士:化工大学华盛顿学院副院长。 他曾在 以及其他机构和学院领导石油处理研究项目。 近年来主要研究方向为水处理材料、光催化材料、红色新能源纳米材料、生物物理工程、污染控制、风能等。 、石油加工等研究领域。 相关研究成果在B:,ofA,,,of,of:A-等国际知名SCI期刊发表论文160余篇。