【背景介紹】當(dāng)下，全球面臨日益嚴(yán)峻的水污染危機(jī)以及淡水資源匱乏的問題。超過40%的人口缺乏清潔的飲用水而全球超過97%的水體為不可直接利用的海水和苦咸水。這使得能脫去海水、苦咸水中鹽分而得到清潔淡水的海水淡化技術(shù)發(fā)展成為關(guān)乎人類未來的關(guān)鍵技術(shù)。然而現(xiàn)有的海水淡化技術(shù)，例如反滲透、閃蒸、電滲析等，其發(fā)展卻嚴(yán)重受限于高成本、高能耗以及二次污染等問題。近年來，一種新興的高效、低成本、規(guī)模可調(diào)節(jié)的脫鹽技術(shù)，電容去離子技術(shù)（Capacitive Deionization，以下簡稱CDI）逐漸發(fā)展起來。它運(yùn)用電容器原理將海水中的離子在外加電場下吸附到電極材料表面，從而實(shí)現(xiàn)了海水淡化。因此，電極材料作為核心部件，對CDI的性能起著決定性的作用。

近來，大多數(shù)報(bào)道的CDI電極材料都是碳納米材料。然而，與商業(yè)的活性炭類似，這些碳納米材料也大多單一地以雙電層電容（Electrical Double Layer Capacity, 以下簡稱EDLC）的原理來吸附海水中的離子，因而限制了電極材料鹽吸附容量（Salt Adsorption Capacity，以下簡稱SAC）進(jìn)一步提高。同時(shí)，由于對這些疏水碳材料的孔結(jié)構(gòu)缺乏有針對性的調(diào)控，使得電極中形成了不利于離子擴(kuò)散的曲折的微孔道以及不可觸及的電極表面，從而降低了SAC以及鹽吸附速率（Salt Adsorption Rate，以下簡稱SAR）。因此，開發(fā)基于新型離子吸附原理和孔結(jié)構(gòu)調(diào)控的CDI 電極材料是非常必要的。

【成果簡介】

近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士、余愛萍教授，聯(lián)合渥太華大學(xué)張子勝教授報(bào)道了一種新穎的使用納米工程技術(shù)，首次設(shè)計(jì)并合成了一種高效的CDI非碳電極材料——三維有序?qū)蛹壎嗫椎牡?以下簡稱3DOM-TiN)（如圖1所示）。這種新型高效的CDI電極材料具有以下的優(yōu)勢：

雙重離子吸附機(jī)理：研究證實(shí)了3DOM-TiN電極在CDI過程中同時(shí)包含了EDLC以及贗電容（Pseudocapacitance，以下簡稱PC）兩種離子吸附機(jī)理；

有序?qū)蛹壙捉Y(jié)構(gòu)以及伴隨的高比表面、高孔容有效地促進(jìn)了離子的吸附并降低了離子擴(kuò)散阻力；

相互連通的納米骨架結(jié)構(gòu)以及殘留的氮摻雜碳涂層保障了高導(dǎo)電性和高效的電荷轉(zhuǎn)移。

以上的優(yōu)勢顯著地協(xié)同地促進(jìn)了電極材料的SAC和SAR性能，使得3DOM-TiN電極在500mg/L的鹽水脫鹽的CDI實(shí)驗(yàn)中達(dá)到了23.6mg g-1的SAC以及破記錄的最大SAR（3.2 mg g-1min-1）。與此同時(shí)，3DOM-TiN電極材料展現(xiàn)出了良好的再生性能以及循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究成果最近以通訊形式發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上，該文的第一作者為渥太華大學(xué)博士生吳雨辰和滑鐵盧大學(xué)博士后蔣高鵬。

圖 1三維有序?qū)蛹壙椎侂姌O（3DOM-TiN）的電容脫鹽過程示意圖

【圖文導(dǎo)讀】

1、材料表征

圖2 3DOM-TiN的(a)SEM照片，(b)TEM 圖片, (c)氮?dú)馕降葴鼐€以及孔徑分布圖，(d)與bulk-TiN的XRD譜圖對比, (e) Ti 2p XPS 譜圖和(f) N1s XPS譜圖。

如圖2(a-c)所示，3DOM-TiN具有相互連通的三維有序?qū)蛹壙捉Y(jié)構(gòu)，包括聚合物模板留下的100 nm左右的大孔和堆疊形成的10-15 nm的介孔。這種結(jié)構(gòu)賦予了3DOM-TiN高比表面積(141.6m2g-1)和高孔容(0.291 cm3g-1)。XRD譜圖揭示了3DOM-TiN較bulk-TiN具有更高的純度。XPS譜圖揭示其表面具有二氧化鈦/氮氧化鈦以及殘留的氮參雜碳（NCR）涂層。

2、電化學(xué)性能測試

圖3 (a)不同電極材料的循環(huán)伏安曲線(CV); (b) 3DOM-TiN在不同在不同掃速下的CV曲線；(c)不同電極材料比容量比較；(d) 3DOM-TiN電極的循環(huán)穩(wěn)定性測試

圖 4 (a) 3DOM-TiN和bulk-TiN電極的阻抗譜圖及(b) 粉體電導(dǎo)率測試; (c-d) 3DOM-TiN作陽極和陰極的電容貢獻(xiàn)Dunn方法分析以及相應(yīng)的雙電層電容(EDLC)和贗電容(PC)容量貢獻(xiàn)比例比較。

電化學(xué)測試表明3DOM-TiN電極材料具有三倍于Bulk-TiN電極，顯著高于商業(yè)活性炭（AC）電極的比容量171.1F/g以及高循環(huán)穩(wěn)定性。電化學(xué)阻抗譜和粉體電導(dǎo)率測試進(jìn)一步揭示出，相比于Bulk-TiN電極，上述特殊相互連通的的三維有序?qū)蛹壙捉Y(jié)構(gòu)和NCR涂層使得3DOM-TiN電極具有更高的電子電導(dǎo)率，更低的離子擴(kuò)散阻力和更迅速的電荷轉(zhuǎn)移過程。Dunn容量分析則更明確揭示了3DOM-TiN電極對NaCl的雙重離子電吸附的機(jī)理，即陰極部分贗電容(PC)貢獻(xiàn)了超過50%的電容量，而陽極部分雙電層電容 (EDLC)占據(jù)了80%以上的容量。也就是說，鹽溶液中的Na+既可以通過3DOM-TiN電極表面氧化層TiOxNy的快速化學(xué)吸附或嵌入反應(yīng)進(jìn)入電極，也可以通過形成雙電層來儲存在電極中。而Cl-則主要是以雙電層形式儲存在電極中。因而，由3DOM-TiN電極組裝的CDI元件在NaCl溶液中是以一種類似鋰離子/鈉離子電容器的工作原理進(jìn)行脫鹽處理的。

3、電容脫鹽性能

圖 5 (a) SAC與時(shí)間的關(guān)系圖；(b-d) 不同電極材料的SAR對SAC的Ragone圖；不同工作電壓和處理鹽濃度下SAR對SAC的Ragone圖；(e)3DOM-TiN與文獻(xiàn)中CDI電極材料的比較；(f) CDI循環(huán)測試。

如圖5所示，在平板式對稱CDI脫鹽測試中，3DOM-TiN電極展現(xiàn)出遠(yuǎn)高于商業(yè)AC電極和bulk-TiN電極的SAC和SAR，分別達(dá)到了23.6mg g-1和和破紀(jì)錄的3.2mg g-1min-1。在不同電壓和鹽度的工況下，3DOM-TiN電極均展現(xiàn)出了優(yōu)異的SAC和SAR性能。與目前報(bào)道的諸多碳基以及金屬摻雜的CDI電極材料相比，3DOM-TiN電極表現(xiàn)出了極為優(yōu)異的性能。而在循環(huán)穩(wěn)定性測試中，3DOM-TiN電極也表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在600min循環(huán)測試后仍保持了超過90%的脫鹽能力。

【總結(jié)】

此項(xiàng)研究不僅揭示了3DOM-TiN作為電容去離子的電極材料的巨大潛力，更進(jìn)一步揭示了一種有別于傳統(tǒng)基于雙電層電吸附的碳基CDI電極材料的新穎的多孔非碳CDI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的雙重吸附原理的非碳材料，佐以納米工程設(shè)計(jì)的利于離子擴(kuò)散和電子導(dǎo)通的三維有序?qū)蛹壎嗫捉Y(jié)構(gòu)，從而最大化CDI電極的電容脫鹽性能。

Yuchen Wu, Gaopeng Jiang, Guihua Liu, Gregory Lui, Zay Cano, Qian Li, Zhen Zhang, Aiping Yu, Zisheng Zhang, Zhongwei Chen, 3D Ordered Hierarchical Porous Non-Carbon Electrode for Highly Effective and Efficient Capacitive Deionization,Journal of Materials Chemistry A, 2019, DOI:10.1039/C9TA04025K

【作者簡介】

陳忠偉教授：加拿大滑鐵盧大學(xué)(University of Waterloo)化學(xué)工程系教授，加拿大工程院院士，滑鐵盧大學(xué)電化學(xué)中心主任，加拿大國家首席科學(xué)家(CRC-Tier 1), 國際電化學(xué)能源科學(xué)院副主席， 2018高被引科學(xué)家。陳忠偉院士帶領(lǐng)一支約70人的研究團(tuán)隊(duì)常年致力于燃料電池，金屬空氣電池，鋰離子電池，鋰硫電池，鋰硅電池，液流電池等儲能器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。近年來在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Nature Communication, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Advanced Energy Materials, Chem, ACS Nano 等國際知名期刊發(fā)表論文250余篇。目前為止，文章已引用次數(shù)20000余次, H-index 指數(shù)為73，并擔(dān)任ACS Applied Material & Interfaces副主編。

課題組主頁：http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

余愛萍教授：加拿大滑鐵盧大學(xué)(University of Waterloo)化學(xué)工程系教授。近年來的研究方向主要集中在碳納米材料，超級電容器，多功能納米復(fù)合物，光催化納米材料及新型水處理技術(shù)等研究領(lǐng)域。近年來，在Science, Nature communications, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano letters, ACS nano, Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A 等國際知名期刊發(fā)表論文140余篇。目前為止，文章已引用次數(shù)12000余次, H-index 指數(shù)為48，并擔(dān)任Chemical Engineering Journal和Carbon Energy的副主編。

課題組主頁：http://chemeng.uwaterloo.ca/ayu/home.html

張子勝教授：加拿大渥太華大學(xué)（University of Ottawa）化工學(xué)院副院長。曾在BC ResearchInc，University of Alberta 等多家機(jī)構(gòu)和大學(xué)主導(dǎo)石油處理等研究項(xiàng)目，近年來的研究方向主要集中于水處理材料，光催化材料，綠色新能源納米材料，生物化學(xué)工程，污染控制，生物質(zhì)能源，石油處理等研究領(lǐng)域。相關(guān)研究成果在Applied catalyst B: environment, Journal of Materials Chemistry A, Catalyst Today, Applied surface science, Journal of Colloid Interface Science, Journal of Molecular Catalyst: A-chemical等國際知名SCI雜志已發(fā)布論文160余篇。

蘇州浦宏環(huán)?？萍加邢薰臼且患覍Ｗ?/span>水處理設(shè)備的廠家，主要產(chǎn)品有RO反滲透設(shè)備，中水回用設(shè)備，EDI高純水設(shè)備,海水淡化設(shè)備，軟化水設(shè)備，超濾設(shè)備、去離子水設(shè)備，工業(yè)廢水污水處理設(shè)備等各種水處理技術(shù)的研發(fā)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)、安裝調(diào)試等一體化企業(yè)。商務(wù)咨詢：178-1187-2518 王工