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。     

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。     

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。     

季铵盐插层MXene复合材料的制备及其电容脱盐性能

以MXene(Ti3C2Tx)为前驱体,采用季铵盐(TTAB、CTAB、STAB)为插层剂,制备季铵盐插层MXene复合材料.研究表明,随着季铵盐烷基碳链原子数的增加,MXene的层间距逐渐增大,复合材料的电容脱盐性能随层间距的增加而逐步提高.NaCl溶液浓度为1000 mg·L-1,工作电压为1.2V时,MXene、...     

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。     

薄层大面积自支撑碳纳米管电极材料的电容脱盐性能

以具有三维开放网络结构的烧结8 μm-Ni金属纤维(SMF-Ni)为基底, 通过乙烯催化化学气相沉积法在金属纤维表面生长碳纳米管(CNTs), 制备了以金属Ni纤维网络为集流极、CNTs为离子存储库, 尺度跨越宏观、介观和纳米的自支撑薄层大面积CNTs/SMF-Ni(CNTs质量分数为50%)复合电极材料. 用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、N₂吸附、脱附等温线和X射线衍射(XRD)等方法对电极材料进行了表征, 并考察了其作为电极对质量分数为0.01%的NaCl水溶液的电容脱盐性能. 自支撑CNTs/SMF-Ni复合电极材料由于具有优异的离子传导和表面电荷传递性能以及较大的介孔表面积, 在1.2 V的工作电压和5 mL/min的水溶液流速下, 对NaCl的电吸附容量和脱盐率分别达159 μmol/g CNTs和57%. 用H₂O₂对CNTs/SMF-Ni电极材料进行氧化处理后, CNTs表面含氧基团的大量增加增大了材料的亲水性, 从而进一步提升了该复合材料的电容脱盐性能.     

电吸附除氯过程的电化学阻抗谱及动力学研究

借助三电极体系, 基于电化学交流阻抗谱图, 提出了一种对已吸附Cl^-的活性炭再次吸附一个Cl^-弛豫时间的测定方法, 根据弛豫时间确定速率控制步骤 . 研究了阳极电势、 预处理时间和预处理浓度对电化学过程的影响, 基于得到的电化学交流阻抗谱图上的参数, 求出不同条件下电吸附Cl^-的弛豫时间及覆盖度. 结果表明, 不同条件下得到的复数平面图均由一个容抗弧和一个感抗弧构成, 分别代表Cl^-在阳极上发生电荷转移的过程和 Cl^-在活性炭电极上的吸附过程 . 增加阳极极化可有效缩短弛豫时间, 阳极极化时, 弛豫时间为2.0×10^-5 s; 增加预处理时间, 弛豫时间逐渐增加, 预处理时间为180 min时, 弛豫时间增加到4.9×10^-5 s; 预处理浓度对弛豫时间的影响可忽略. 弛豫时间分析结果表明, Cl^-吸附速率比扩散速率小, 吸附是电吸附过程的速率控制步骤. 电极表面的覆盖度较低, 仅有10^-4...     

电极/离子液体界面电容

用电化学阻抗方法研究了铂片电极在BMIMPF6,BMIMBF4,BMIMClO4,BMIMTf2N,BMIMCl,BMIMBr,C3OHMIMBF4,C3OHMIMClO4和BMMIMPF6(BMIM:1-butyl-3-methylimidazolium;C3OHMIM:1-(3-hydroxypropyl)-3-methylimidazolium;BMMIM:1-butyl-2-methyl-3-methylimidazolium;Tf2N:bis(trifluoromethylsulfonyl)amide)等离子液体中的界面电容及结构.结果表明:当阴、阳离子半径相差不大且不存在特性吸附时,在零电荷电势附近,电极/离子液体界面的电容-电势曲线将出现电容单峰或者双峰.电极的零电荷电势对应于单峰的峰电势或者双峰之间的谷电势.当电极电势远离零电荷电势时,电极/离子液体界面成紧密层结构,可由紧密层理论来描述.如果存在离子的特性吸附,相应的电容峰可能不再出现,而表现为双层电容随电极电势对零电荷电势的偏离而单调增加.还研究了添加小的Li+离子对电极/离子液体界面电容的影响.通过向BMIMTf2N中加入LiTf2N,发现Li+离子可以改变电极/离子液体界面的双层结构,但无助于界面电容的提高,甚至可能引起电容的降低.最后探讨了不同条件下,尤其考虑阴阳离子特性吸附时,电极/离子液体的界面结构.     

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     

功能化石墨烯/活性炭复合电极及不对称电容器脱盐

以3-氨丙基三乙氧基硅烷(AMPTS)修饰氧化石墨(GO)还原合成氨基功能化石墨烯(GP-NH₂). 傅里叶变换红外(FTIR)光谱和X射线能谱(EDX)分析证明了氨基基团的成功接枝. 以GP-NH₂为添加剂, 制备胺化石墨烯/活性炭(GP-NH₂/AC)复合电极, 并以GP-NH₂/AC 为正极, AC电极为对电极, 组装不对称电容器(AC||GPNH₂/AC)用于电容脱盐. 实验表明, AC||GP-NH₂/AC 单循环脱盐量为7.63 mg·g^-1, 电流效率达77.6%. 利用磺酸重氮盐接枝石墨烯制备磺化石墨烯(GP-SO₃H)及磺化石墨烯/活性炭(GP-SO₃H/AC)复合电极. 并以GPSO₃H/AC为负极, GP-NH₂/AC 为正极, 组装不对称电容器(GP-SO₃H /AC||GP-NH₂/AC)用于电容脱盐, 其平均脱盐速率可达0.99 mg·g^-1·min^-1, 比纯AC电极提高了接近5倍. 充放电速率提高了30%; 而且由于正、负极表面固有电荷的存在, 大大降低了反离子效应, 电流效率由40% (纯AC||AC对称电容器)提高到92.8%. 表明电极内功能化导电石墨烯的存在既提高了导电性, 又兼具离子选择性的作用, 从而明显改善电极的脱盐性能.     

功能化石墨烯/活性炭复合电极及不对称电容器脱盐

以3-氨丙基三乙氧基硅烷(AMPTS)修饰氧化石墨(GO)还原合成氨基功能化石墨烯(GP-NH2).傅里叶变换红外(FTIR)光谱和X射线能谱(EDX)分析证明了氨基基团的成功接枝.以GP-NH2为添加剂,制备胺化石墨烯/活性炭(GP-NH2/AC)复合电极,并以GP-NH2/AC为正极,AC电极为对电极,组装不对称电容器(AC||GPNH2/AC)用于电容脱盐.实验表明,AC||GP-NH2/AC单循环脱盐量为7.63 mg·g-1,电流效率达77.6%.利用磺酸重氮盐接枝石墨烯制备磺化石墨烯(GP-SO3H)及磺化石墨烯/活性炭(GP-SO3H/AC)复合电极.并以GPSO3H/AC为负极,GP-NH2/AC为正极,组装不对称电容器(GP-SO3H/AC||GP-NH2/AC)用于电容脱盐,其平均脱盐速率可达0.99 mg·g-1·min-1,比纯AC电极提高了接近5倍.充放电速率提高了30%;而且由于正、负极表面固有电荷的存在,大大降低了反离子效应,电流效率由40%(纯AC||AC对称电容器)提高到92.8%.表明电极内功能化导电石墨烯的存在既提高了导电性,又兼具离子选择性的作用,从而明显改善电极的脱盐性能.     

A Polyoxometalate-Based Binder-Free Capacitive Deionization Electrode for Highly Efficient Sea Water Desalination

Capacitive deionization is a promising technique in sea water desalination. Compared with common electrodes, mixed capacitive-deionization electrodes exhibit better performance in sea water desalination because they integrate pseudocapacitance and electric double-layer capacitance in one system. Herein, a 3D binder-free mixed capacitive-deionization electrode was fabricated by direct electrodeposition of SiW₁₂O₄₀⁴⁻ and polyaniline on a 3D exfoliated graphite carrier. In this electrode, SiW₁₂O₄₀⁴⁻/polyaniline composite particles with a size of about 100–120 nm are dispersed homogenously on the 3D exfoliated graphite carrier. Its specific capacitance reaches 352 F g⁻¹ at 1 A g⁻¹. With increasing current from 1 to 20 A g⁻¹, the specific capacitance only decays by 32 %. When employed in sea water desalination, the performance of this mixed capacitive-deionization electrode is also excellent. At 1.2 V, the salt adsorption capacity of this mixed electrode reaches 23.1 mg g⁻¹ with a salt adsorption rate of 1.38 mg g⁻¹ min⁻¹ in 500 mg L⁻¹ NaCl. The performance of this electrode is well retained after 30 cycles. The excellent sea water desalination performance originates from the synergistic effect between SiW₁₂O₄₀⁴⁻ and polyaniline. This work has developed polyoxometalate as a new material for capacitive-deionization electrodes.     

不同碳源催化化学气相沉积制备自支撑C/Ni-Fiber复合电极材料的电容脱盐性能

以甲烷、乙烯、乙醇和正丁醇为碳源,通过催化化学气相沉积在具有三维开放网络结构的烧结8μm-Ni金属纤维上沉积碳的方法,制备了以金属Ni纤维网络为集流极、沉积碳为离子存储库的薄层大面积自支撑C/Ni-fiber复合电极材料.用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）、N₂-吸脱附等温线和循环伏安与电化学阻抗谱对电极材料进行了表征,并考察了其作为电极的电容脱盐性能.乙烯、甲烷、正丁醇和乙醇为碳源的沉积碳形态分别为鱼骨状碳纳米管（CNTs）、石墨烯面取向与轴平行的CNTs、棒状和蠕虫状碳纳米纤维（CNFs）.C/Ni-fiber复合电极材料对NaCl的电吸附容量顺序为:乙烯>正丁醇>甲烷>乙醇,这与复合电极的电化学特性、孔结构和碳的纳米结构相关.在1.2 V的工作电压下,以乙烯为碳源制备的C/Ni-fiber复合电极材料对水溶液中NaCl(100 mg·L^-1)的电吸附容量达159μmol·g^-1.     

Unlocking Reversible Silicon Redox for High-Performing Chlorine Batteries

Chlorine (Cl)-based batteries such as Li/Cl₂ batteries are recognized as promising candidates for energy storage with low cost and high performance. However, the current use of Li metal anodes in Cl-based batteries has raised serious concerns regarding safety, cost, and production complexity. More importantly, the well-documented parasitic reactions between Li metal and Cl-based electrolytes require a large excess of Li metal, which inevitably sacrifices the electrochemical performance of the full cell. Therefore, it is crucial but challenging to establish new anode chemistry, particularly with electrochemical reversibility, for Cl-based batteries. Here we show, for the first time, reversible Si redox in Cl-based batteries through efficient electrolyte dilution and anode/electrolyte interface passivation using 1,2-dichloroethane and cyclized polyacrylonitrile as key mediators. Our Si anode chemistry enables significantly increased cycling stability and shelf lives compared with conventional Li metal anodes. It also avoids the use of a large excess of anode materials, thus enabling the first rechargeable Cl₂ full battery with remarkable energy and power densities of 809 Wh kg⁻¹ and 4,277 W kg⁻¹, respectively. The Si anode chemistry affords fast kinetics with remarkable rate capability and low-temperature electrochemical performance, indicating its great potential in practical applications.