【背景】

當(dāng)前，全球面臨著日益嚴(yán)峻的水污染危機(jī)和淡水資源短缺問題。 40%以上的人口缺乏干凈的飲用水，世界上97%以上的沉積物是不能直接利用的海水和苦咸水。 這促使海水淡化技術(shù)的發(fā)展，可以去除海水和苦咸水中的鹽分，獲得干凈的淡水，成為關(guān)系人類未來的關(guān)鍵技術(shù)。 然而，現(xiàn)有反滲透、閃蒸、電滲析等海水淡化技術(shù)的發(fā)展受到成本高、煤??耗高、二次污染等問題的嚴(yán)重制約。 近年來，一種新型的高效、低成本、可擴(kuò)展的海水淡化技術(shù)——電容去離子技術(shù)（以下簡稱CDI）逐漸得到發(fā)展。 它利用電容器的原理，在外加電場(chǎng)的作用下，將海水中的離子吸附到電極材料表面，從而實(shí)現(xiàn)海水淡化。 因此，作為核心成分的電極材料對(duì)CDI的性能起著決定性的作用。 最近報(bào)道的CDI電極材料大多是碳納米材料。 然而，與商用活性炭類似，這些碳納米材料大多僅利用雙電層電容（以下簡稱EDLC）原理吸附海水中的離子，從而限制了電極材料對(duì)鹽類的吸附能力（Salt，以下簡稱SAC）得到進(jìn)一步改進(jìn)。 同時(shí)，由于這種疏水性碳材料的孔隙結(jié)構(gòu)缺乏針對(duì)性的調(diào)控，在電極中產(chǎn)生了不利于離子擴(kuò)散的凹凸不平的多孔通道和不可觸及的電極表面，從而增加了SAC和鹽的吸附率（，以下簡稱SAR）。 為此，有必要開發(fā)基于新的離子吸附原理和孔結(jié)構(gòu)調(diào)控的CDI電極材料。

【介紹】

日前，日本滑鐵盧學(xué)院陳忠偉教授、余愛萍院長與曼徹斯特學(xué)院張子生院長共同報(bào)道了一種新穎的利用納米工程技術(shù)設(shè)計(jì)合成高效CDI非碳電極材料的方法首次——三維有序分層微結(jié)構(gòu)。 多孔滲碳鈦（以下簡稱3DOM-TiN）（如圖1所示）。 這些新型高效CDI電極材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：

以上優(yōu)勢(shì)明顯協(xié)同提升了電極材料的SAC和SAR性能，使得3DOM-TiN電極實(shí)現(xiàn)了23.6 mgg-1的SAC和創(chuàng)紀(jì)錄的最大SAR（3.2 mgg-1min-1）。 同時(shí)，3DOM-TiN電極材料突出了良好的再生性能和循環(huán)穩(wěn)定性。 該研究成果最近以通訊方式發(fā)表在 ofA 上。 該論文的第一作者是博士。 來自加拿大學(xué)院的學(xué)生吳宇辰和來自滑鐵盧學(xué)院的博士后江高鵬。

圖1 三維有序分級(jí)孔滲碳鈦電極（3DOM-TiN）電容脫鹽過程示意圖。

[圖解指南]

1.材料表征

圖23：（a）SEM照片，（b）TEM圖像，（c）DOM-TiN的甲烷吸附等溫線和孔徑分布圖，（d）與塊體TiN的XRD譜圖比較，（e）譜圖和（ f ) 光譜。

如圖2（ac）所示，3DOM-TiN具有相互連接的三維有序多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，包括聚合物模板留下的約100 nm的大孔和堆疊產(chǎn)生的10-15 nm的共聚物。 這些結(jié)構(gòu)賦予3DOM-TiN高比表面積（141.6m2g-1）和高孔容（0.-1）。 XRD 光譜表明 3DOM-TiN 的含量高于塊狀 TiN。 XPS 光譜說明了具有二硅氧烷/氮二氧化硅和殘留的充氮碳 (NCR) 涂層的表面。

2、電物理性能測(cè)試

圖3(a)不同電極材料的循環(huán)伏安曲線(CV)； (b) 3DOM-TiN在不同掃描速率下的CV曲線； (c) 不同電極材料的比容量比較； (d) 3DOM-TiN 電極循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試

圖 4 (a) 3DOM-TiN 和 bulk-TiN 電極的阻抗譜和 (b) 粉末濁度測(cè)試； (cd) Dunn 法分析 3DOM-TiN 作為陽極和陰極的電容貢獻(xiàn)以及相應(yīng)的雙電層電容 (EDLC) 和贗電容 (PC) 容量貢獻(xiàn)比列比較。

電物理測(cè)試表明，3DOM-TiN電極材料的比容量為171.1 F/g，是Bulk-TiN電極的三倍，顯著低于商用活性炭（AC）電極，循環(huán)穩(wěn)定性高。 電物理阻抗譜和粉末濁度測(cè)試進(jìn)一步闡明，與Bulk-TiN電極相比，上述特殊互連的三維有序分級(jí)孔結(jié)構(gòu)和NCR涂層促使3DOM-TiN電極具有更高的電子濁度、更低的離子擴(kuò)散阻力和更快的電荷轉(zhuǎn)移過程。 鄧恩容量分析更加清晰地闡明了3DOM-TiN電極雙離子電吸附NaCl的機(jī)理，即陰極的贗電容（PC）貢獻(xiàn)了50%以上的電容，而雙電層電容（EDLC） )的陽極部分)占據(jù)了80%以上的容量。 也就是說，鹵氨中的Na+既可以通過3DOM-TiN電極表面氧化層的快速物理吸附或插層反應(yīng)進(jìn)入電極，也可以通過產(chǎn)生雙電層儲(chǔ)存在電極中. Cl-主要以雙電層形式儲(chǔ)存在電極中。 因此，組裝有 3DOM-TiN 電極的 CDI 裝置在 NaCl 氨水中脫鹽，其工作原理類似于鋰離子/鈉離子電容器。

3、電容器脫鹽性能

圖 5(a) SAC 與時(shí)間圖； (bd) 不同電極材料的 SAR 與 SAC 圖； 不同工作電流和處理鹽含量的 SAR 與 SAC 圖； (e) 文獻(xiàn)中3DOM-TiN和CDI電極材料的比較； (f) CDI 循環(huán)測(cè)試。

如圖5所示，在平面對(duì)稱CDI脫鹽試驗(yàn)中，3DOM-TiN電極的SAC和SAR遠(yuǎn)低于商用AC電極和bulk-TiN電極，達(dá)到23.6mgg-1，創(chuàng)歷史新高3.2 mgg-1min-1。 在不同電流和酸度的工作條件下，3DOM-TiN電極表現(xiàn)出優(yōu)異的SAC和SAR性能。 與迄今為止報(bào)道的許多碳基和金屬摻雜的CDI電極材料相比，3DOM-TiN電極表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。 在循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試中，3DOM-TiN電極也表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)測(cè)試后保持了90%以上的脫鹽能力。

【總結(jié)】

除了闡明 3DOM-TiN 作為電容去離子電極材料的巨大潛力外，本研究進(jìn)一步闡明了一種不同于傳統(tǒng)基于雙電層電吸附的碳基 CDI 電極材料的新型微孔非碳 CDI 電極材料. 電極材料的設(shè)計(jì)思路：選擇具有雙電層吸附和贗電容吸附雙重吸附原理的非碳材料，以納米工程設(shè)計(jì)有利于離子擴(kuò)散和電子傳導(dǎo)的三維有序分級(jí)微孔結(jié)構(gòu)，從而最大限度地提高 CDI 電極的電容脫鹽性能。

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

【通訊作者簡介】

陳忠偉院士：滑鐵盧學(xué)院物理工程系主任（of），美國工程院教授，滑鐵盧學(xué)院電物理中心主任，國家首席科學(xué)家（CRC-），副教授國際電物理與能源科學(xué)大學(xué)校長，2018年度高被引科學(xué)家。 陳忠偉教授帶領(lǐng)約70人的研究團(tuán)隊(duì)，致力于燃料板、金屬-空氣板、鋰離子板、鋰硫板、鋰硅板、液流等儲(chǔ)能組件的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化面板。 改變。 近年來，在,,,,,&,,Chem, 等國際知名期刊發(fā)表論文250余篇。迄今為止，文章被引用多次，H-為73，他也是ACS&的副主編。 課題組主頁：

余愛萍院士：滑鐵盧學(xué)院物理工程系主任（of）。 近年來，研究方向主要集中在碳納米材料、超級(jí)電容器、多功能納米復(fù)合材料、光催化納米材料和新型水處理技術(shù)等研究領(lǐng)域。 近年來在,,,,&,,,,Nano, , Nano,ofA等國際知名期刊發(fā)表論文140余篇。迄今為止，文章被引用多次，與H- 為 48，同時(shí)也是 and 的副主編。 課題組主頁：

張子生院士：化工大學(xué)華盛頓學(xué)院副院長。 他曾在 以及其他機(jī)構(gòu)和學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)石油處理研究項(xiàng)目。 近年來主要研究方向?yàn)樗幚聿牧?、光催化材料、紅色新能源納米材料、生物物理工程、污染控制、風(fēng)能等。 、石油加工等研究領(lǐng)域。 相關(guān)研究成果在B:,ofA,,,of,of:A-等國際知名SCI期刊發(fā)表論文160余篇。