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。     

石墨烯基电极材料的设计和构建及其在电容去离子中的应用

电容去离子(CDI)是一种通过静电力作用将离子从水中去除的技术,电极是整个装置中为最为核心的部件,石墨烯因具有优异的导电性和巨大的比表面积等优势成为当前CDI电极材料的研究热点之一。目前对于CDI石墨烯电极的研究主要集中于石墨烯电极的合成,然而有关CDI性能与石墨烯电极制作工艺及电极材料自身结构之间的关系,缺少相关综述。本文系统介绍了CDI的基本原理与性能指标,综述了石墨烯电极材料的研究进展与电极制作工艺,重点分析、归纳和总结了石墨烯材料的特性(孔隙结构、导电性、亲疏水性)对CDI性能的影响,最后对CDI中石墨烯电极材料今后的发展进行了总结和展望。     

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。     

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。     

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。     

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.     

全固态离子选择性电极研究进展

离子选择性电极是电化学传感器中重要的研究方向之一.随着科学的进步和发展,传统液接式离子选择性电极显示出越来越多的弊端,因此,人们尝试研制全固态的离子选择性电极.经过了数10年的研究,其已经初步应用到临床化验、环境监测以及工业分析等领域.本文根据固态转接层材料的离子-电子转移原理的不同,将全固态离子选择性电极分为:双电层电容型全固态离子选择性电极、赝电容型全固态离子选择性电极以及双电层电容和赝电容混合型的全固态离子选择性电极,并综述了上述3种不同类型的全固态离子选择性电极的研究进展,阐述了对应的响应机理,并展望了其未来的发展趋势.     

电解液离子与炭电极双电层电容的关系

以酚醛树脂基纳米孔玻态炭(NPGC)为电极, 通过微分电容伏安曲线的测试, 研究了水相体系电解液离子与多孔炭电极双电层电容的关系. 结果表明, 稀溶液中, 多孔炭电极的微分电容曲线在零电荷点(PZC)处呈现凹点, 电容降低, 双电层电容受扩散层的影响显著；若孔径小, 离子内扩散阻力大, 电容下降更为迅速, 扩散层对双电层电容的影响增大. 而增大炭材料的孔径或电解液浓度, 可明显减弱甚至消除扩散层对电容的影响. 炭电极的单位面积微分电容高, 仅表明孔表面利用率高, 如欲获得高的电容量, 还要有大的比表面积. 离子水化对炭电极的电容产生不利影响, 选用大离子和增大炭材料的孔径, 可有效降低离子水化对炭电极电容性能的影响.     

自支撑硫镍基电极材料制备及其赝电容性能

硫镍基赝电容超级电容器具有较高的比电容和功率密度等优点,是下一代理想的储能装置之一,但其实际应用受到其活性材料的制约,如导电性低和循环性能差等。研究者围绕增强硫镍基赝电容电极材料导电性和提升循环稳定性进行了大量的研究工作。其中,构建自支撑的电极材料被认为是一种降低活性材料和集流体之间界面电阻的有效方法。本文综述了制备自支撑硫镍基赝电容电极的常见方法,并就活性材料的形貌与性能关系进行了总结,主要着眼于集流体改性、离子掺杂、复合材料构建及形貌调控优化等。最后对自支撑硫镍基赝电容电极材料的研究方向进行了展望。     

Electrode Materials for Desalination of Water via Capacitive Deionization

Recent years have seen the emergence of capacitive deionization (CDI) as a promising desalination technique for converting sea and wastewater into potable water, due to its energy efficiency and eco-friendly nature. However, its low salt removal capacity and parasitic reactions have limited its effectiveness. As a result, the development of porous carbon nanomaterials as electrode materials have been explored, while taking into account of material characteristics such as morphology, wettability, high conductivity, chemical robustness, cyclic stability, specific surface area, and ease of production. To tackle the parasitic reaction issue, membrane capacitive deionization (mCDI) was proposed which utilizes ion-exchange membranes coupled to the electrode. Fabrication techniques along with the experimental parameters used to evaluate the desalination performance of different materials are discussed in this review to provide an overview of improvements made for CDI and mCDI desalination purposes     

Capacitive Deionization of Water (A Review)

Russian Journal of Electrochemistry - The literature on capacitive deionization (CDI) of water is discussed. The CDI is a new method of water desalination which consists of pumping water to be...     

Single module flow-electrode capacitive deionization for continuous water desalination

The search for novel desalination technologies has recently led to the introduction of flow-electrodes to capacitive deionization (CDI) processes, named as flow-electrode capacitive deionization (FCDI). Unlike classical CDI, which is a discontinuous or semi-continuous process due to the need for regeneration of the electrodes within the same module, flow-electrodes offer new design opportunities which enable fully continuous desalination processes as well as easily scalable systems. Here, we describe a novel system for the continuous desalination of water based on FCDI using a single flow-electrode and a single module. The flow-electrode is based on activated carbon powder suspended in water. During continuous operation of the system, a desalination rate of a 1 g/L NaCl solution of up to 70% is achieved at water recoveries of up to 80%. Additionally we report very good current efficiencies: in case of 80% water recovery, the current efficiency is 0.93. The single flow-electrode single module process might reduce energy and investment costs and lower the threshold to a large scale implementation.     

高回收率膜法苦咸水淡化工艺的应用研究进展

膜法苦咸水淡化过程中,符合环境保护要求的浓排水处理方法成本高昂,所以只有当回收率达到较高值时,在实际运行中才具有经济可行性。目前,在不加剧膜污染的条件下进一步提高苦咸水淡化系统回收率的方法已成为该领域研究热点。本文详细综述了高回收率膜法苦咸水淡化工艺的应用研究进展,包括基于反渗透、纳滤、正渗透、膜蒸馏、电渗析和电容去离子化淡化工艺过程,以及这些过程面临的热点问题,并对此提出了建议。     

Relation between the charge efficiency of activated carbon fiber and its desalination performance

Four types of activated carbon fibers (ACFs) with different specific surface areas (SSA) were used as electrode materials for water desalination using capacitive deionization (CDI). The carbon fibers were characterized by scanning electron microscopy and N(2) adsorption at 77 K, and the CDI process was investigated by studying the salt adsorption, charge transfer, and also the charge efficiency of the electric double layers that are formed within the micropores inside the carbon electrodes. It is found that the physical adsorption capacity of NaCl by the ACFs increases with increasing Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area of the fibers. However, the two ACF materials with the highest BET surface area have the lowest electrosorptive capability. Experiments indicate that the charge efficiency of the double layers is a key property of the ACF-based electrodes because the ACF material which has the maximum charge efficiency also shows the highest salt adsorption capacity for CDI.