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材料學院袁勳教授團隊在電化學脱鹽領域取得新進展
作者:材料學院  來源:材料學院  編輯:臧傳永   點擊:[] 日期:2020年07月27日

由於極速的工業化和人口膨脹,淡水資源危機在全球範圍內日益嚴重。鑑於全球97%以上的水資源為苦鹹水/海水,因此,開發簡單、高效的苦鹹水/海水淡化技術以應對淡水資源危機變得刻不容緩。電容/電化學脱鹽技術作為20世紀90年代末興起的新型淡化技術,具有能耗低、水利用率高、無二次污染等優勢,有望成為21世紀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,脱鹽速率不足和循環穩定性差成為制約電化學脱鹽發展的兩大瓶頸,解決這兩大瓶頸問題也成為電容/電化學脱鹽領域的發展驅動力。

我校材料學院袁勳教授團隊本着“深研電容脱鹽法,廣產淡水濟蒼生”的科研理念,致力於提升電容脱鹽速率和改善循環穩定性,在電化學脱鹽領域取得系列進展,相關成果發表於著名國際期刊《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]。材料學院高層次人才劉勇副教授為該系列成果的第一作者,青島科技大學為唯一通訊單位。

焦點問題一:電化學體系脱鹽速率的提升

電化學脱鹽系統雖然在脱鹽容量上相對傳統CDI有了顯著提升(由<20 mg·g-1提升至~120 mg·g-1),但其脱鹽速率卻並未得到改善,甚至有所下降(均在0.01-0.1 mg·g-1·s-1範圍內),這導致了電化學脱鹽系統的高脱鹽容量難以在短時間內得到充分發揮,成為了目前制約其發展的瓶頸。鑑於此,課題組分別通過器件結構創新和材料體系創新,在提升電化學脱鹽速率方面取得了明顯效果,兩項科研成果均被材料學1區期刊J. Mater. Chem. A錄用。

1.器件結構創新:針對電化學脱鹽速率不足問題,該團隊將貫穿型水流模式和“搖椅式”電化學去離子器件相結合,首次提出了貫穿型“搖椅”電化學去離子概念(圖1a)。從器件結構角度和流場角度出發,通過改善體系傳質,實現了其脱鹽速率的飛躍(達0.46 mg·g-1·s-1),該數值遠高於當前電化學體系中已報道的脱鹽速率指標,如圖1c。(J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 8476)。

2.材料體系創新:同樣針對電化學脱鹽速率不足的問題,該團隊從材料學角度出發,利用原位固相反應策略,將超小MoC納米團簇嵌入碳纖維氣凝膠中,設計製備了具有快速離子嵌入脱出的贗電容材料體系(如圖1b),並作為電極材料應用於贗電容去離子系統,實現了其脱鹽速率的大幅提升(0.20 mg·g-1·s-1,如圖1c)。(J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 1443)。

圖1

(a)貫穿型“搖椅”電化學脱鹽原理示意圖;

(b)MoC納米團簇鑲嵌超細碳纖維氣凝膠形貌結構圖;

(c)系列研究工作與文獻報道其他脱鹽系統的Kim-Yoon-Ragone對比圖。

焦點問題二:BiOCl材料作為氯離子法拉第電極脱鹽材料的循環穩定性的改進

目前,電化學脱鹽系統發展迅猛,多種電極材料應運而生。然而,電化學脱鹽體系的電極材料研究主要集中於陽離子(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注,目前僅有Ag類、BiOCl類等幾種材料體系。其中BiOCl材料憑藉其穩定可逆的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材料存在循環穩定性不足問題,嚴重限制了其進一步發展。

針對這一問題,該團隊採用靜電紡絲結合溶劑熱兩步法,以靜電紡絲碳納米纖維為骨架,在其骨架表面可控沉積BiOCl納米結構(納米片、納米花、納米球),得到了BiOCl負載碳納米纖維複合結構(BiOCl-CNF)並應用於Cl-捕獲“搖椅式”電化學脱鹽體系(RCDI),如圖2。憑藉其均一的微觀網絡結構和整體式電極特徵,該體系的循環穩定性的到了顯著提升,30次循環後脱鹽容量仍保持在112.3 mg·g-1(僅下降9.4 %)。

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

圖2.基於BiOCl-CNF電極的氯離子響應貫穿型搖椅式電化學脱鹽概念圖。

文章鏈接:

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

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

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

本課題得到了山東省科技廳省屬優青專項、泰山學者青年專家專項等項目的資助。

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