淡水资源是社会经济的重要保障，如何高效低成本地产生淡水是可持续发展领域重要的课题。除了目前已经商业化的反渗透技术，研究者们也在关注着电容去离子(CDI)这一富有前景的浓水淡化技术。电容去离子技术具有效率高、易再生和易维护等优势。相比于碳基材料，法拉第电极材料的高容量为膜电容去离子(mCDI)脱盐提供了新的机会。然而，法拉第材料也存在诸多有待进一步解决的难题：离子扩散动力学较低，导致脱盐速率较低；离子脱嵌易产生体积膨胀，导致低稳定性等，阻碍了法拉第材料性能的进一步提升和应用。
空心氢氧化钴材料的形貌、性能与模拟
近日，同济大学环境科学与工程学院马杰教授团队、上海海洋大学于飞副教授团队和德国萨尔大学Volker Presser教授团队合作。本研究中，通过温和的模板刻蚀法制备了一种具有空心结构的立方氢氧化钴法拉第材料，充分挖掘和解析空心结构材料在脱盐中的潜力，证明材料的微观结构调控是实现高性能脱盐的一个有效策略。
得益于空心结构高效的材料利用效率、充分的离子传输空间、更加柔性的结构，所制备的空心氢氧化钴电极同时具有高脱盐容量、脱盐速率和优异循环稳定性 (比电流为100 mA/g时，脱盐速率为3.3 mg(NaCl)/g(h-Co(OH)2)/min)，且100次循环后的容量保持率为90%。
同时，该工作利用原位电化学膨胀测试监测了电化学循环过程中活性电极的“呼吸”，进一步从电极位移和相对应变变化证明空心氢氧化钴电极的稳定性。另外，该研究利用有限元模拟探索空心结构提升电极稳定性的潜在原因，通过对比空心结构与实心结构在相同钠离子嵌入量时的应力分布和材料内部位移变化，模拟结果显示空心结构有利于缓解体积膨胀带来的额外应力，同时发现，空心结构对活性材料外部环境也能产生更小的应力，以此增强电极的稳定性。为进一步提高法拉第材料在电容去离子(CDI)中的脱盐性能，提供了新策略，上述工作发表于美国科学促进会旗下多学科领域国际期刊Research。
近年来，马杰教授团队致力于电容去离子技术在水体离子脱除和资源化回收中的应用研究，团队成员合成具有电池行为过渡金属化合物--碳包覆磷酸钒钠（Na3V2(PO4)3@C）；构建Mxene/Ag复合电极实现氯离子的高效去除以推动整体脱盐性能提升（Nano Lett. 2019, 19, 823，ESI，Adv. Sci. 2020，7，2000621）；采用“大小通吃”/“碱化组装“的膜电极设计策略，构建全MXene薄膜电极，有效推动MXene等二维片层材料电极的设计及其在电容去离子技术中的应用（Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 4554.，J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 19309-19318）；开展电容去离子技术去除水体污染物、资源化回收等开拓性研究（Water Res., 2020,184, 116100，J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 15999，J. Hazard. Mater., 2020, 382, 121039），进一步拓展和发挥电容去离子技术在水体污染物控制和资源化回收等环境领域的应用探索。从传统的碳基电极材料到法拉第电极材料，电容去离子技术的性能和内涵得到巨大的提升和拓展，通过新型电极材料的设计和开发，对提高电容去离子技术的选择性和推动规模化应用具有重要意义。上述研究获得了国家自然科学基金、上海市人才发展基金、同济大学中青年科技领军人才、同济大学百人计划和德国研究基金MXene-CDI等项目支持。
论文链接：https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9754145/
投稿人：马杰教授团队
