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材料学院袁勋教授团队在电化学脱盐领域取得新进展
作者:材料学院  来源:材料学院  编辑:臧传永   点击:[] 日期:2020年07月27日

由于极速的工业化和人口膨胀,淡水资源危机在全球范围内日益严重。鉴于全球97%以上的水资源为苦咸水/海水,因此,开发简单、高效的苦咸水/海水淡化技术以应对淡水资源危机变得刻不容缓。电容/电化学脱盐技术作为20世纪90年代末兴起的新型淡化技术,具有能耗低、水利用率高、无二次污染等优势,有望成为21世纪最有效的海水淡化方法之一,受到各国政府和研究界的高度重视。然而,脱盐速率不足和循环稳定性差成为制约电化学脱盐发展的两大瓶颈,解决这两大瓶颈问题也成为电容/电化学脱盐领域的发展驱动力。

我校材料学院袁勋教授团队本着“深研电容脱盐法,广产淡水济苍生”的科研理念,致力于提升电容脱盐速率和改善循环稳定性,在电化学脱盐领域取得系列进展,相关成果发表于著名国际期刊《Journal of Materials Chemistry A》(IF=11.301)[J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 8476;J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 1443]及《Chemical Engineering Journal》(IF=10.652)[Chem. Eng. J., 2021, 403, 126326]。材料学院高层次人才刘勇副教授为该系列成果的第一作者,青岛科技大学为唯一通讯单位。

焦点问题一:电化学体系脱盐速率的提升

电化学脱盐系统虽然在脱盐容量上相对传统CDI有了显著提升(由<20 mg·g-1提升至~120 mg·g-1),但其脱盐速率却并未得到改善,甚至有所下降(均在0.01-0.1 mg·g-1·s-1范围内),这导致了电化学脱盐系统的高脱盐容量难以在短时间内得到充分发挥,成为了目前制约其发展的瓶颈。鉴于此,课题组分别通过器件结构创新和材料体系创新,在提升电化学脱盐速率方面取得了明显效果,两项科研成果均被材料学1区期刊J. Mater. Chem. A录用。

1.器件结构创新:针对电化学脱盐速率不足问题,该团队将贯穿型水流模式和“摇椅式”电化学去离子器件相结合,首次提出了贯穿型“摇椅”电化学去离子概念(图1a)。从器件结构角度和流场角度出发,通过改善体系传质,实现了其脱盐速率的飞跃(达0.46 mg·g-1·s-1),该数值远高于当前电化学体系中已报道的脱盐速率指标,如图1c。(J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 8476)。

2.材料体系创新:同样针对电化学脱盐速率不足的问题,该团队从材料学角度出发,利用原位固相反应策略,将超小MoC纳米团簇嵌入碳纤维气凝胶中,设计制备了具有快速离子嵌入脱出的赝电容材料体系(如图1b),并作为电极材料应用于赝电容去离子系统,实现了其脱盐速率的大幅提升(0.20 mg·g-1·s-1,如图1c)。(J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 1443)。

图1

(a)贯穿型“摇椅”电化学脱盐原理示意图;

(b)MoC纳米团簇镶嵌超细碳纤维气凝胶形貌结构图;

(c)系列研究工作与文献报道其他脱盐系统的Kim-Yoon-Ragone对比图。

焦点问题二:BiOCl材料作为氯离子法拉第电极脱盐材料的循环稳定性的改进

目前,电化学脱盐系统发展迅猛,多种电极材料应运而生。然而,电化学脱盐体系的电极材料研究主要集中于阳离子(Na+)捕获法拉第电极,针对阴离子(Cl-)捕获的法拉第电极却少有关注,目前仅有Ag类、BiOCl类等几种材料体系。其中BiOCl材料凭借其稳定可逆的Cl-储存容量及相对低廉的成本迅速成为了研究焦点。然而,BiOCl材料存在循环稳定性不足问题,严重限制了其进一步发展。

针对这一问题,该团队采用静电纺丝结合溶剂热两步法,以静电纺丝碳纳米纤维为骨架,在其骨架表面可控沉积BiOCl纳米结构(纳米片、纳米花、纳米球),得到了BiOCl负载碳纳米纤维复合结构(BiOCl-CNF)并应用于Cl-捕获“摇椅式”电化学脱盐体系(RCDI),如图2。凭借其均一的微观网络结构和整体式电极特征,该体系的循环稳定性的到了显著提升,30次循环后脱盐容量仍保持在112.3 mg·g-1(仅下降9.4 %)。

同时,借助前期研究经验,论文进一步将贯穿式水流模式引入该体系,使其获得了优异的脱盐速率(0.52 mg·g·s-1,目前文献最高)以及超低的脱盐能耗(66.8Wh∙m-3,ΔC= 5 mM)。(Chem. Eng. J., 2021, 403, 126326)。

图2.基于BiOCl-CNF电极的氯离子响应贯穿型摇椅式电化学脱盐概念图。

文章链接:

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

本课题得到了山东省科技厅省属优青专项、泰山学者青年专家专项等项目的资助。

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