海水淡化用碳基电极材料及电容去离子技术研究进展

电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI)可以通过断电或电极反接方式使盐离子脱附,达到电极再生的目的,实现电极的可循环利用,其在海水淡化处理技术中具有独特的优势,逐渐成为一种缓和淡水资源紧缺和水污染的极具前景的技术手段。近年来,CDI处理技术正在向电极高效、无二次污染方向转变,未来将进一步聚焦碳基电极材料功能化(碳材料,钛碳化物MXenes,掺杂改性石墨烯材料)、装置和工艺设计优化等重要方向。为深入研究CDI海水淡化技术机理,进一步探索CDI方法在实际应用中的潜力,分别对CDI的脱盐机理、电极材料、装置和工艺设计对电吸附效率和性能的研究进展进行了总结,回顾CDI脱盐效果与电极材料、CDI电池装置设计等因素之间的密切关系,并对CDI技术在海水淡化中的研究发展提出展望。     

电容去离子过渡金属基电极设计及应用研究进展北大核心CSCD

电容去离子(Capacitive deionization,CDI)作为一种新兴的水淡化和离子分离方法,由于其离子选择性高、水回收率高和能耗低等优点受到广泛关注。与传统的基于碳电极的CDI相比,新兴的法拉第电极通过离子捕获的法拉第反应,提供了使得CDI的脱盐性能大幅提升的独特机会。而过渡金属基电极由于其高度可逆的法拉第响应,相对较高的导电性以及出色的理论赝电容值等优势,在CDI电极设计领域受到广泛关注。本文系统地归纳和梳理了过渡金属基电极在CDI应用中的材料分类,总结了针对其本征缺陷所进行改性工程,主要包括导电材料耦合、功能结构工程和缺陷工程等,并对其在海水淡化中的性能进行了总结;此外,从离子选择性分离、金属离子去除和营养元素回收等方面介绍了过渡金属基电极在CDI中的特定应用。最后,概述了剩余的挑战和研究方向,为未来的过渡金属基电极的开发与研究提供指导。     

电容去离子用功能化电极吸附材料的设计与构建

电容去离子(CDI)是近年来新兴的一种脱盐技术,由于其具有节能环保、实用性强等优势而倍受青睐。作为该技术核心的电极吸附材料,应具有高比表面积、良好导电性、亲水性、适宜孔隙结构、优异的稳定性等特点。这将有效保障该CDI器件不仅具有高CDI脱盐效率,而且拥有更强的循环稳定性。本文结合我们前期研究工作,针对吸附电极的制备、结构与性能构效关系的差异,综述了近年来多种功能化电极材料在CDI技术应用中的最新进展。     

电容去离子除氯电极的构建及其脱盐性能研究进展

电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)是一种新兴的脱盐技术,通过在电极两端施加较低的外加电场除去水中的带电离子和分子,由于其较低的能耗和可持续性而备受关注。基于储能电池领域近年来的迅猛发展,CDI电极材料实现了从以双电层作用机理为代表的碳材料到法拉第电极材料的跨越,使得脱盐性能有了大幅度提升。Na⁺的去除与Cl^-的去除同等重要,然而,CDI中针对氯离子高效去除的电极材料研究关注较少。本文从CDI装置的构型演变发展出发,系统地归纳与梳理了CDI中关于脱氯电极材料的分类,对比了不同类型脱氯电极材料的特点,并总结了Cl^-去除的机理,分别为基于双电层的电吸附、转化反应、离子插层和氧化还原反应。本文是首篇关于CDI阳极材料的进展综述和展望,为CDI除氯电极的后续研究提供理论基础和研究思路。     

石墨烯基杂化材料在微生物燃料电池电极中的应用

微生物燃料电池（MFC）是利用生物催化剂将污水有机物中的化学能直接转化为电能的技术,因其功率密度和能量转化效率低,电极制作成本高,限制了其大规模实际应用。因此如何提高电极的催化性能并降低电极制作成本成为MFC的研究重点方向。由于石墨烯基杂化材料具有良好的导电性和催化特性,因此石墨烯基杂化材料成为在MFC电极应用中的热点之一。本文综述了近年来MFC石墨烯基杂化电极材料的最新研究进展,重点讨论了改性石墨烯电极、金属及非金属/石墨烯杂化电极、金属氧化物/石墨烯杂化电极、聚合物/石墨烯杂化电极和石墨烯凝胶电极的设计思路和制备方法及其催化性能,着重分析了石墨烯基阳极和阴极杂化材料对MFC产电性能的影响。最后对石墨烯基杂化材料在MFC应用中存在的问题及研究前景进行了总结和展望。     

具有阴阳离子插入行为的电容去离子电极设计

具有离子嵌入/脱嵌能力的离子插层型电容去离子(CDI)电极材料是一类具有很高比容量的新型CDI电极,可以有效改善传统碳材料电极离子存储容量有限、电极易腐蚀的缺点。本文以金属氧化物、过渡金属/碳/氮/碳氮化物(MXenes)、钠超离子导体(NASICON)型磷酸盐材料等为分类,综述了近几年具有代表性的基于离子嵌入/脱嵌的电极材料的设计及在CDI方面的应用,以期深入理解构效关系,开发出性能更强的电极材料。     

电容去离子脱盐装置构型的研究进展

电容去离子(CDI)技术是一种新型的海水淡化技术,因其具有环境友好、操作简单和能耗低等优势而受到广大研究者的关注。在CDI技术中,电吸附的性能与装置的构型有着密切的联系。本文综述了目前常见的几种CDI装置,包括膜电容去离子(MCDI)、流动电极电容去离子(FCDI)、杂化电极电容去离子(HCDI)、反式电极电容去离子(i-CDI)以及脱盐电池(DB),对这几种装置的发展历程和装置构型进行介绍,最后,对CDI的装置构型在未来的研究发展方向进行了展望,以期为CDI装置在电脱盐领域的研究和应用提供参考。     

基于石墨烯修饰电极的电化学生物传感

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维碳纳米材料,具有大的比表面积、高的导电性和室温电子迁移率,以及优异的机械力学性能.石墨烯还具有电化学窗口宽,电化学稳定性好,电荷传递电阻小,电催化活性高和电子转移速率快等电化学特性.化学修饰石墨烯,特别是氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO),可以被宏量、廉价地制备出来.它们具有可加工性能,可以被组装、加工或复合成具有可控组成和微结构的宏观电极材料.因此,石墨烯及其化学修饰衍生物是用于电化学生物传感的独特而诱人的电极材料.例如,GO是一种化学修饰石墨烯,也是石墨烯的重要前驱体;其边缘具有大量的羧基可用于共价固定酶,从而能实现酶电极的生物检测.在GO上的不可逆蛋白吸附也可以促进蛋白质的直接电子转移以提高其电化学检测性能.但是,GO大量的含氧官能团破坏了石墨烯本征的共轭结构,降低了其电学性能并限制了其实际应用.GO可以通过化学、电化学、热还原等技术转化成rGO,从而能部分修复其共轭结构,提高其导电性与传感性能.另一方面,石墨烯是一种零带隙材料;原子掺杂可以调控其能带结构,提高其电催化性能.石墨烯材料也常常需要通过与其它功能材料的复合进一步改善其可分散与可加工性能,提高其电催化活性和电化学选择性.本文综述了本征石墨烯(包括GO,rGO和掺杂石墨烯)以及石墨烯与生物分子、高分子、离子液体、金属或金属氧化物纳米粒子等复合材料修饰电极在检测各种生物分子方面的研究进展,并对该研究领域进行了展望.     

碳和石墨烯对磷酸锰锂材料性能的影响

在采用溶剂热法制备磷酸锰锂的基础上,以蔗糖和石墨烯为碳源,制备了裂解碳和石墨烯含量不同的磷酸锰锂/碳/石墨烯复合材料,研究了裂解碳和石墨烯对材料性能的影响。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对材料的形貌进行了表征。裂解碳包覆可以提高LiMnPO_4纳米片表面的电子导电性,对于材料性能的改善起到主要的作用;石墨烯可以提高纳米片之间的电子和离子导电性,改善材料的电化学性能。电化学测试表明,当裂解碳含量为4%、石墨烯含量为2%时,LiMnPO_4电极具有较好的电化学性能,在0.5C下的放电比容量为139.1 m Ah·g-1,循环100次后,容量保持率为93.6%。与添加单一碳和单一石墨烯的LiMnPO_4电极相比,该电极在0.5C下的放电比容量分别提高了35.0%和48.6%。     

三维石墨烯凝胶电极的制备及在电容去离子中的应用

采用液相还原法制备了石墨烯水/气凝胶三维石墨烯宏观材料,并将其作为电极应用于电容去离子中,以氯化钠作为研究对象,研究三维石墨烯凝胶电极在电容去离子中的性能.利用扫描电子显微镜、循环伏安曲线和X射线光电子能谱等多种手段考察了电极的形貌结构及特性.对比了石墨烯水凝胶与气凝胶电极应用于去离子电容中的性能差异.结果表明,水凝胶电极相对于气凝胶电极具有较好的去离子性能;采用压片法进一步对石墨烯水凝胶电极材料进行优化,结果表明,压片水凝胶、水凝胶和气凝胶3种电极材料在去离子电容中均具有较好的电容去离子效果,其电吸附容量从大到小的顺序:压片水凝胶水凝胶气凝胶.石墨烯水凝胶作为电极材料在电容去离子中具有较好的应用前景.     

3D石墨烯基气凝胶的制备及在超级电容器中的应用

超级电容器作为一种新型的能源存储装置,由于其较高的功率密度、优良的充放电特性、超长的循环寿命,使其在移动电源,新能源汽车等众多领域具有非常广泛的应用前景。3D石墨烯基气凝胶具有多孔结构、大的比表面积、高的导电率、优异的机械性能和电子传输能力,它一直被认为是超级电容器的理想电极材料。本文综述了3D石墨烯基气凝胶的制备方法及其在超级电容器中的应用现状,并展望了其在超级电容器中的应用前景。     

Development of high quality Fe_3O_4/rGO composited electrode for low energy water treatment

Electrochemical water treatment is an attractive technology for water desalination and softening due to its low energy consumption. Especially, capacitive Deionization(CDI) is promising as a future technology for water treatment. Graphene(rGO) has been intensively studied for CDI electrode because of its advantages such as excellent electrical conductivity and high specific surface area. However, its 2D dimensional structure with small specific capacitance, high resistance between layers and hydrophobicity degrades ion adsorption efficiency. In this work, we successfully prepared uniformly dispersed Fe_3O_4/rGO nanocomposite by simple thermal reactions and applied it as effective electrodes for CDI. Iron oxides play a role in uniting graphene sheets, and specific capacitance and wettability of electrodes are improved significantly;hence CDI performances are enhanced. The hardness removal of Fe_3O_4/rGO nanocomposite electrodes can reach 4.3 mg/g at applied voltage of 1.5V, which is 3 times higher than that of separate r GO electrodes.Thus this material is a promising candidate for water softening technology.     

Enhanced Anode Performances of Polyaniline-TiO(2)-Reduced Graphene Oxide Nanocomposites for Lithium Ion Batteries

Here, we report a three-layer-structured hybrid nanostructure consisting of transition metal oxide TiO(2) nanoparticles sandwiched between carbonaceous polymer polyaniline (PANI) and graphene nanosheets (termed as PTG), which, by simultaneously hindering the agglomeration of TiO(2) nanoparticles and enhancing the conductivity of PTG electrode, enables fast discharge and charge. It was demonstrated that the PTG exhibited improved electrochemical performance compared to pure TiO(2). As a result, PTG nanocomposite is a promising anode material for highly efficient lithium ion batteries (LIBs) with fast charge/discharge rate and high enhanced cycling performance [discharge capacity of 149.8 mAh/g accompanying Coulombic efficiency of 99.19% at a current density of 5C (1000 mA/g) after 100 cycles] compared to pure TiO(2). We can conclude that the concept of applying three-layer-structured graphene-based nanocomposite to electrode in LIBs may open a new area of research for the development of practical transition-metal oxide graphene-based electrodes which will be important to the progress of the LIBs science and technology.     

导电高分子在神经界面电极中的应用

神经界面电极作为人体和外部器件间信息融合的媒介, 为人们进一步探究神经系统高级功能的机制提供了有效工具. 传统的神经电极多以金属和半导体材料为主, 这两类材料因具有惰性材料的特性及优越的 导电性能而成为早期神经电极的主要制备材料, 但由于其刚性过大和光滑表面导致的机械失配及与生物组织间过高的电化学阻抗限制了神经电极的进一步发展. 导电高分子作为一种有机导电材料, 同时具备柔软性 (杨氏模量约在0.01~10 GPa)和导电性(高掺杂度的导电高分子的电导率在金属范围, 10⁰~10⁵ S/cm)的特征, 是制备神经电极的有效材料. 近年来, 人们利用导电高分子材料对传统电极材料进行改性甚至替代, 以提高电极比表面积、 减小界面阻抗, 并提高电极检测的灵敏性; 同时减小电极与组织间的应变失配, 减少炎症反应, 并进一步在导电高分子中引入功能性生物大分子, 减少生物组织对电极的排异反应, 增加电极在体内长期植入的稳定性. 本文讨论和总结了导电高分子材料在神经电极中的应用, 分别对导电高分子作为涂层修饰神经电极、 全导电高分子材料神经电极及导电高分子复合材料神经电极等展开讨论, 分析了导电高分子在神经界面电极中的应用前景及存在的问题, 以期对神经界面电极在脑科学和生物电子医疗等前沿领域的进一步发展提供参考.     

石墨烯基复合材料应用于光电二氧化碳还原的基本原理，研究进展和发展前景

In response to aggravated fossil resources consuming and greenhouse effect, CO₂ reduction has become a globally important scientific issue because this method can be used to produce value-added feedstock for application in alternative energy supply. Photoelectrocatalysis, achieved by combining optical energy and external electrical bias, is a feasible and promising system for CO₂ reduction. In particular, applying graphene in tuning photoelectrochemical CO₂ reduction has aroused considerable attention because graphene is advantageous for enhancing CO₂ adsorption, facilitating electrons transfer, and thus optimizing the performance of graphene-based composite electrodes. In this review, we elaborate the fundamental principle, basic preparation methods, and recent progress in developing a variety of graphene-based composite electrodes for photoelectrochemical reduction of CO₂ into solar fuels and chemicals. We also present a perspective on the opportunities and challenges for future research in this booming area and highlight the potential evolution strategies for advancing the research on photoelectrochemical CO₂ reduction.     

超级电容器用石墨烯薄膜：制备、基元结构及表面调控

石墨烯薄膜是一种以石墨烯纳米片为基元结构的宏观体,通过合理的结构设计和表面修饰使其具有优异的电学、力学和热学性能,将在电化学储能、电子器件、健康和环保等领域具有潜在的应用。本文主要综述了从石墨烯基元调控到二维宏观膜组装以及石墨烯薄膜在超级电容器应用中的研究进展。主要介绍了石墨烯薄膜的简易制备方法,并详细介绍了通过对石墨烯基元的结构调控和表面修饰来优化石墨烯薄膜电化学性能的两大策略,最后对石墨烯薄膜应用所面临的挑战和未来的发展进行了总结与展望。