【背景】

當前，全球面臨著日益嚴峻的水污染危機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的發展，可以去除海水和苦咸水中的鹽分，獲得干凈的淡水，成為關系人類未來的關鍵技術。 然而，現有反滲透、閃蒸、電滲析等海水淡化技術的發展受到成本高、煤??耗高、二次污染等問題的嚴重制約。 近年來，一種新型的高效、低成本、可擴展的海水淡化技術——電容去離子技術（以下簡稱CDI）逐漸得到發展。 它利用電容器的原理，在外加電場的作用下，將海水中的離子吸附到電極材料表面，從而實現海水淡化。 因此，作為核心成分的電極材料對CDI的性能起著決定性的作用。 最近報道的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鹽類的吸附能力（Salt，以下簡稱SAC）得到進一步改進。 同時，由于這種疏水性碳材料的孔隙結構缺乏針對性的調控，在電極中產生了不利于離子擴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，有必要開發基于新的離子吸附原理和孔結構調控的CDI電極材料。

【介紹】

日前，日本滑鐵盧學院陳忠偉教授、余愛萍院長與曼徹斯特學院張子生院長共同報道了一種新穎的利用納米工程技術設計合成高效CDI非碳電極材料的方法首次——三維有序分層微結構。 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點：

以上優勢明顯協同提升了電極材料的SAC和SAR性能，使得3DOM-TiN電極實現了23.6 mgg-1的SAC和創紀錄的最大SAR（3.2 mgg-1min-1）。 同時，3DOM-TiN電極材料突出了良好的再生性能和循環穩定性。 該研究成果最近以通訊方式發表在 ofA 上。 該論文的第一作者是博士。 來自加拿大學院的學生吳宇辰和來自滑鐵盧學院的博士后江高鵬。

圖1 三維有序分級孔滲碳鈦電極（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孔結構，包括聚合物模板留下的約100 nm的大孔和堆疊產生的10-15 nm的共聚物。 這些結構賦予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、電物理性能測試

圖3(a)不同電極材料的循環伏安曲線(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 電極循環穩定性測試

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

電物理測試表明，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，循環穩定性高。 電物理阻抗譜和粉末濁度測試進一步闡明，與Bulk-TiN電極相比，上述特殊互連的三維有序分級孔結構和NCR涂層促使3DOM-TiN電極具有更高的電子濁度、更低的離子擴散阻力和更快的電荷轉移過程。 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的機理，即陰極的贗電容（PC）貢獻了50%以上的電容，而雙電層電容（EDLC） )的陽極部分)占據了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進入電極，也可以通過產生雙電層儲存在電極中. Cl-主要以雙電層形式儲存在電極中。 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) 文獻中3DOM-TiN和CDI電極材料的比較； (f) CDI 循環測試。

如圖5所示，在平面對稱CDI脫鹽試驗中，3DOM-TiN電極的SAC和SAR遠低于商用AC電極和bulk-TiN電極，達到23.6mgg-1，創歷史新高3.2 mgg-1min-1。 在不同電流和酸度的工作條件下，3DOM-TiN電極表現出優異的SAC和SAR性能。 與迄今為止報道的許多碳基和金屬摻雜的CDI電極材料相比，3DOM-TiN電極表現出優異的性能。 在循環穩定性測試中，3DOM-TiN電極也表現出了良好的循環穩定性，循環測試后保持了90%以上的脫鹽能力。

【總結】

除了闡明 3DOM-TiN 作為電容去離子電極材料的巨大潛力外，本研究進一步闡明了一種不同于傳統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. 電極材料的設計思路：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，以納米工程設計有利于離子擴散和電子傳導的三維有序分級微孔結構，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：滑鐵盧學院物理工程系主任（of），美國工程院教授，滑鐵盧學院電物理中心主任，國家首席科學家（CRC-），副教授國際電物理與能源科學大學校長，2018年度高被引科學家。 陳忠偉教授帶領約70人的研究團隊，致力于燃料板、金屬-空氣板、鋰離子板、鋰硫板、鋰硅板、液流等儲能組件的開發和產業化面板。 改變。 近年來，在,,,,,&,,Chem, 等國際知名期刊發表論文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、超級電容器、多功能納米復合材料、光催化納米材料和新型水處理技術等研究領域。 近年來在,,,,&,,,,Nano, , Nano,ofA等國際知名期刊發表論文140余篇。迄今為止，文章被引用多次，與H- 為 48，同時也是 and 的副主編。 課題組主頁：

張子生院士：化工大學華盛頓學院副院長。 他曾在 以及其他機構和學院領導石油處理研究項目。 近年來主要研究方向為水處理材料、光催化材料、紅色新能源納米材料、生物物理工程、污染控制、風能等。 、石油加工等研究領域。 相關研究成果在B:,ofA,,,of,of:A-等國際知名SCI期刊發表論文160余篇。