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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

ABn,ABnEm型分子或离子空间几何构型的预测

分子的空间几何构型是影响分子性质的重要因素。如何预测分子的空间几何构型,目前常用的理论主要是杂化轨道理论和价层电子对互斥理论(VSEPR理论),相对而言,VSEPR理     

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.     

一种新型无粘结剂电极的制备及电吸附脱盐性能研究

以椴木为前驱体、二氧化碳为活化剂,制备出具有一定强度、无需粘结剂的电极材料,同时可用作集流体。通过扫描电镜、X射线衍射、拉曼光谱和孔径分析等对材料的形貌和孔结构进行了分析,并使用电吸附脱盐装置测试了其电吸附脱盐性能。结果表明,该材料有大量的微孔结构,比表面积为1440m2/g,其电吸附脱盐能力随着溶液浓度的提高而升高,在溶液浓度为200、500、1000和2000 mg/L时,吸附量分别为2. 02、3. 76、6. 21和12. 42 mg/g。     

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.