澳大利亚悉尼科技大学汪国秀研究团队在海水淡化方面的研究取得重要进展

【引言】

进入二十一世纪,伴随着世界人口和全球工业化进程的快速增长,能源与环境问题日益突出,特别是全球的淡水资源危机,已经刻不容缓。水资源的缺乏使海水淡化技术的研发更加紧迫。传统的脱盐技术,如反渗透、电渗析和离子交换,由于其本身不可忽视的高能耗及低效率等问题,已经不能满足人类集约型社会发展的要求。

电容去离子技术(Capacitive deionization, CDI) 又称电吸附去离子技术,它具有脱盐效率高、低能耗、环境友好等优点, 电吸附去离子(CDI)是一种令人兴奋的电化学方法，只需要保持两个由多孔材料制作的电极之间存在稳定的电压，需净化的水从两块电极之间流过之后就会变成清洁水，与蒸馏和反渗透等替代方法不同，它既不需要高温也不需要压力来操作。虽然CDI技术的主要概念早在1960年就已经确立，但传统的碳基CDI电极只在溶液盐度较低时，表现得较为出色，仅适合处理微咸水而不是海水，因此，CDI技术进入工业规模的海水淡化应用，迫切需要开发高效的新型电极材料和设计。

【成果简介】

澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授研究团队和美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授（共同通讯）研究团队在能源领域知名期刊《焦耳》Joule 2 (2018) 778 - 787上发表了论文，题为：“Porous Cryo-Dried MXene for Efficient Capacitive Deionization。研究人员从储能电极材料的研究中得到启发，他们设计和制备了以气凝胶状多孔MXene为载体的CDI器件，该器件在高溶液盐度中，表现出色，能够提供极高的电吸附能力，在极高浓度的盐水（10000 毫克/升）中可获得了118 毫克/平方厘米的高吸附容量，比传统的碳基电极材料的吸附容量高出了一个数量级。多孔MXene-CDI器件显著的提高了CDI技术的吸附效率，使得CDI技术的发展进入到了工业规模的海水淡化的新阶段。

二维的金属碳化物或氮化物（MXenes）作为新型的二维万能材料，具有高比表面积、高电导率的特点，又具备组分灵活可调，最小纳米层厚可控等优势，在储能和水处理以及光电化学催化等领域拥有巨大潜力。

多孔Ti3C2Tx-CDI器件的电吸附特性: (A) 不同NaCl浓度中，多孔Ti3C2Tx-CDI器件以及 Ti3C2Tx-CDI器件和活性炭-CDI器件的电吸附容量曲线（NaCl浓度的从100 mg/L至1万mg/L）。(B) 500 mg / L 的NaCl浓度中，多孔Ti3C2Tx-CDI器件以及 Ti3C2Tx-CDI器件和活性炭-CDI器件的电吸附容量曲线。(C) 500 mg / L 的NaCl浓度中，多孔电极多孔Ti3C2Tx-CDI器件的电吸附和脱附循环曲线。(D) 500mg /L NaCl溶液中，多孔Ti3C2Tx-CDI器件在不同工作电压下的电吸附容量变化。

为了利用MXenes的良好性能作为电极材料，需要确保电极材料有一个较大的的比表面积以达到最大的电容吸附和离子传输。然而由于范德瓦尔斯在层间的作用力，使得被剥离的MXne薄片容易重新堆叠，比表面积减小，研究人员巧妙的采用氯仿作为置换分子，使氯仿溶剂分子进入到MXene薄片中置换层级的直径较小的离子，并进一步的扩大层间距，而后通过低温真空冷冻干燥技术，除去溶剂分子，制备褶皱状的三维的气凝胶状多孔MXene材料。

以气凝胶状多孔MXene为载体的超级电容器器件显示出了极高的电容比容量（410 F/cm3 )，与此同时，在相同浓度的盐水中，多孔MXene-CDI器件的电容吸附容量发挥是传统活性炭-CDI器件的12.8倍之多。此外，多孔电极结构的设计有效的提高了离子传输性能，可在较短的时间内达到了最大的电吸附容量。

【小结】

多孔MXene-CDI器件的成功开发，有效的解决了传统CDI器件在高盐浓度下，吸附效率低的科学难题，使得电容吸附海水淡化技术的研究向前迈出了重要的一步，为海水淡化的研究提供了新的设计研究思路。

作为《细胞》（Cell）的姊妹刊，《焦耳》是一本致力于应对全球挑战、发展可持续能源为目标，报道能源领域最新进展的知名学术期刊。

论文得到了Joule 杂志编辑部的高度重视，撰写了题为“Maxing Out Water Desalination with MXenes”的同期评述，对该工作进行了详细介绍和解读

原文免费下载链接:https://authors.elsevier.com/a/1WvS4925JE5pxA

编辑评述 原文下载链接：http://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30138-7