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由于極速的工業(yè)化和人口膨脹，淡水資源危機在全球范圍內(nèi)日益嚴(yán)重。鑒于全球97%以上的水資源為苦咸水/海水，因此，開發(fā)簡單、高效的苦咸水/海水淡化技術(shù)以應(yīng)對淡水資源危機變得刻不容緩。電容/電化學(xué)脫鹽技術(shù)作為20世紀(jì)90年代末興起的新型淡化技術(shù)，具有能耗低、水利用率高、無二次污染等優(yōu)勢，有望成為21世紀(jì)最有效的海水淡化方法之一，受到各國政府和研究界的高度重視。然而，脫鹽速率不足和循環(huán)穩(wěn)定性差成為制約電化學(xué)脫鹽發(fā)展的兩大瓶頸，解決這兩大瓶頸問題也成為電容/電化學(xué)脫鹽領(lǐng)域的發(fā)展驅(qū)動力。

焦點問題一：電化學(xué)體系脫鹽速率的提升

 圖1（a）貫穿型“搖椅”電化學(xué)脫鹽原理示意圖；（b）MoC納米團簇鑲嵌超細碳纖維氣凝膠形貌結(jié)構(gòu)圖；（c）系列研究工作與文獻報道其他脫鹽系統(tǒng)的Kim-Yoon-Ragone對比圖。

電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)雖然在脫鹽容量上相對傳統(tǒng)CDI有了顯著提升（由＜20 mg·g-1提升至~120 mg·g-1），但其脫鹽速率卻并未得到改善，甚至有所下降（均在0.01-0.1 mg·g-1·s-1范圍內(nèi)），這導(dǎo)致了電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)的高脫鹽容量難以在短時間內(nèi)得到充分發(fā)揮，成為了目前制約其發(fā)展的瓶頸。鑒于此，課題組分別通過器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和材料體系創(chuàng)新，在提升電化學(xué)脫鹽速率方面取得了明顯效果，兩項科研成果均被材料學(xué)1區(qū)期刊J. Mater. Chem. A錄用。

1.器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：針對電化學(xué)脫鹽速率不足問題，該團隊將貫穿型水流模式和“搖椅式”電化學(xué)去離子器件相結(jié)合，首次提出了貫穿型“搖椅”電化學(xué)去離子概念（圖1a）。從器件結(jié)構(gòu)角度和流場角度出發(fā)，通過改善體系傳質(zhì)，實現(xiàn)了其脫鹽速率的飛躍（達0.46 mg·g-1·s-1），該數(shù)值遠高于當(dāng)前電化學(xué)體系中已報道的脫鹽速率指標(biāo)，如圖1c。（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 8476）。

2.材料體系創(chuàng)新：同樣針對電化學(xué)脫鹽速率不足的問題，該團隊從材料學(xué)角度出發(fā)，利用原位固相反應(yīng)策略，將超小MoC納米團簇嵌入碳纖維氣凝膠中，設(shè)計制備了具有快速離子嵌入脫出的贗電容材料體系（如圖1b），并作為電極材料應(yīng)用于贗電容去離子系統(tǒng)，實現(xiàn)了其脫鹽速率的大幅提升（0.20 mg·g-1·s-1，如圖1c）。（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 1443）。

焦點問題二：BiOCl材料作為氯離子法拉第電極脫鹽材料的循環(huán)穩(wěn)定性的改進

 圖2.基于BiOCl-CNF電極的氯離子響應(yīng)貫穿型搖椅式電化學(xué)脫鹽概念圖。

目前，電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)發(fā)展迅猛，多種電極材料應(yīng)運而生。然而，電化學(xué)脫鹽體系的電極材料研究主要集中于陽離子（Na+）捕獲法拉第電極，針對陰離子（Cl-）捕獲的法拉第電極卻少有關(guān)注，目前僅有Ag類、BiOCl類等幾種材料體系。其中BiOCl材料憑借其穩(wěn)定可逆的Cl-儲存容量及相對低廉的成本迅速成為了研究焦點。然而，BiOCl材料存在循環(huán)穩(wěn)定性不足問題，嚴(yán)重限制了其進一步發(fā)展。

針對這一問題，該團隊采用靜電紡絲結(jié)合溶劑熱兩步法，以靜電紡絲碳納米纖維為骨架，在其骨架表面可控沉積BiOCl納米結(jié)構(gòu)（納米片、納米花、納米球），得到了BiOCl負(fù)載碳納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)（BiOCl-CNF）并應(yīng)用于Cl-捕獲“搖椅式”電化學(xué)脫鹽體系（RCDI），如圖2。憑借其均一的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和整體式電極特征，該體系的循環(huán)穩(wěn)定性的到了顯著提升，30次循環(huán)后脫鹽容量仍保持在112.3 mg·g-1（僅下降9.4 %）。

同時，借助前期研究經(jīng)驗，論文進一步將貫穿式水流模式引入該體系，使其獲得了優(yōu)異的脫鹽速率（0.52 mg·g·s-1，目前文獻最高）以及超低的脫鹽能耗（66.8 Wh?m-3, ΔC = 5 mM）。（Chem. Eng. J., 2021, 403, 126326）。

本課題得到了山東省科技廳省屬優(yōu)青專項、泰山學(xué)者青年專家專項等項目的資助。

文章鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta11537d#!divAbstract

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta14112j#!divAbstract

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720324542