Small：仿生矿化构筑花状硒化钴/石墨烯异质结构用于高性能除盐电极

【导读】

由于具有成本低、效率高和无污染等优点，电容去离子技术被认为是一种低成本的很有潜力的脱盐技术。电极材料是电容去离子技术的核心要素，对除盐表现起着举足轻重的作用。因此，高性能电容去离子电极材料的研发至关重要。前期研究（Advanced Materials, 2023, 35, 2300940；Carbon, 2023, 118183；Small, 2021, 17(1), 2004827）表明，材料结构调控在提升电容去离子性能方面扮演着重要角色。

【成果掠影】

近日，来自山东科技大学的付民、清华大学的吕瑞涛、江苏大学的潘建明与扬州大学庞欢合作，采用简便的仿生矿化合成策略构筑了花状硒化钴(CoSe₂)/石墨烯异质结构（Bio-CoSe₂/rGO）。花状结构牢固的锚定在石墨烯片层上，不仅增强了结构稳定性，而且改善了导电性，从而加速了离子传输和电荷迁移。良好的结构特性赋予了电极材料更好的电化学表现，所合成的Bio-CoSe₂/rGO复合电极材料表现出优异的除盐性能（在1.2 V和300 mg L^-1 NaCl溶液中，最大除盐量为56.3 mg g^-1，最大除盐速率为5.6 mg g^-1 min^-1，60圈循环后保持率为92.5%）。吸附动力学研究表明，Bio-CoSe₂/rGO除盐电极的电容去离子行为更符合准二级动力学模型，其对钠离子的吸附由可逆的化学作用所主导。 该工作不仅丰富和拓展了仿生矿化合成策略的应用领域，而且为高性能电容去离子电极材料的设计提供了新的思路。研究成果以题为“Biomimetic mineralization synthesis of flower-like cobalt selenide/reduced graphene oxide for improved electrochemical deionization”发表在国际知名期刊Small上。

【核心创新点】

仿生矿化合成策略通过将沉淀剂和反应溶液分离，减慢晶体成核和生长速度，可获得多级复杂的微纳结构。本工作采用仿生矿化合成策略构建了花状硒化钴/石墨烯异质结构（Bio-CoSe₂/rGO），多种结构表征手段证实了这种异质结构的成功构建。这种异质结构能够提供大量的接触面积，充分释放活性位点，加快电荷/离子传输。得益于花状结构硒化钴和高导电石墨烯之间的协同作用，所合成的复合电极材料表现出优于纯花状硒化钴和水热法所得硒化钴/石墨烯复合材料的除盐性能。电容去离子性能测试、吸附动力学计算和循环后的结构表征证实了这种异质结构在促进离子吸附和强化电荷/离子传输特性方面独特的优势。

【数据概览】

图1. Bio-CoSe₂/rGO复合材料的仿生矿化合成示意图（a）及形貌表征，(b,c,d,h) Co(OH)₂/GO，(e,f,g,i) Bio-CoSe₂/rGO。

图2. Co(OH)₂/GO和Bio-CoSe₂/rGO的 (a) XRD，(b) 拉曼，(c-h) XPS图谱。

图3. 三种电极的性能对比。

图4. Bio-CoSe₂/rGO电极不同电压或不同盐浓度下的电容去离子性能。

【成果启示】

综上所述，作者开发了一种简便的仿生矿化合成策略，通过减慢晶体成核和生长速度，构筑了花状硒化钴/石墨烯异质结构。多种结构表征和吸附动力学计算证实了这种异质结构在促进离子吸附和强化电荷/离子传输特性方面独特的优势。所得的电极材料表现出优异的除盐效果，为高性能电容去离子电极的设计提供了新的尝试。

【文章链接】

Biomimetic mineralization synthesis of flower-like cobalt selenide/reduced graphene oxide for improved electrochemical deionization

DOI:  https://doi.org/10.1002/smll.202312151