EES：促進含氧鹽水電容性去離子的金屬-有機骨架衍生物

一、 【導讀】?

幾十年來，水的可持續性一直是全世界最關注的話題之一。淡水資源的減少、水污染的加劇以及人口的增長加劇了供水危機。電容性去離子(CDI)是一種新興的海水淡化技術，它將鹽離子儲存在多孔材料的內部孔隙中。CDI是一種基于雙電層原理的電化學方法(EDL)，也被稱為“電吸附”。理論上，CDI比其他海水淡化技術操作簡單、能耗低、環境友好。在過去的20年里，CDI受到了越來越多的關注，CDI的概念比以前擴展了許多。目前，CDI不僅被定義為EDL電容式海水淡化技術，還包括各種基于電極充放電循環中離子儲存/釋放的電化學去離子技術。

越來越多的新型先進材料被開發和應用于CDI電極，作為傳統碳材料的替代品。其中一些材料具有與EDL電容原理非常不同的離子捕獲機制。為了開發這些新材料，人們開發了不同的電池結構以獲得更好的CDI性能，從而衍生出了膜CDI、流動-電極CDI、混合型CDI、倒置CDI、搖椅式CDI、雙離子電化學去離子、甚至氧化還原流電化學去離子等CDI變體。這一時期可以被認為是第二代CDI技術的時代，即“CDI- x”。

盡管在擴展CDI材料庫和CDI概念方面取得了進展，但基于多孔碳材料的CDI技術仍然占主導地位。MOF衍生物為擴展適用于CDI技術的先進材料庫，并提高其性能提供了新的方向。

二、【成果掠影】

近日，浙江海洋大學徐興濤教授與名古屋大學教授Yusuke Yamauchi在文章中主要討論碳基材料在CDI中的限制，特別是在含氧(天然)鹽水中的性能，并進一步介紹了金屬-有機骨架(MOF)衍生物在提高CDI性能方面的應用，特別是在含氧(天然)鹽水中的應用。最后，對CDI的發展前景進行了展望。

相關研究工作以“Metal–organic framework derivatives for promoted capacitive deionization of oxygenated saline water”為題發表在國際頂級期刊Energy & Environmental Science上。

?三、【核心創新點】

作者強調了金屬有機框架(MOF)衍生物的重要性，如熱解碳、熱解含金屬碳和MOF基雜化物作為傳統碳材料的替代品，特別是對于含氧鹽水的CDI。MOF衍生物也表現出了增強的鹽吸附能力和循環穩定性。通過仔細比較已發表的MOF衍生物與常規碳的CDI性能(鹽吸附容量與循環壽命)數據，預測CDI性能提升的MOF衍生物將成為未來工業CDI應用的選擇。

四、【數據概覽】

圖1 Web-of-Science在過去20年使用關鍵詞“電容去離子化”或“電吸附”的出版物和引用記錄(截至2023年2月)。?Royal Society of Chemistry 2023

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圖2 CDI的主要局限性和使用MOF衍生物的解決方案。(a) CDI工藝長期循環過程中常規碳材料性能退化示意圖。(b和c) MOF衍生物示意圖，其中(b)為制備熱解碳和熱解含金屬碳的MOF熱解方法，(c)為使用導電劑制備MOF基雜化物的無熱解方法。(d)利用MOF衍生物(即熱解碳、熱解含金屬碳、MOF和基于MOF的雜化物)在SAC和循環穩定性方面提高了CDI性能。?Royal Society of Chemistry 2023

五、【成果啟示】

作者總結了熱解碳、熱解含金屬碳、MOF和基于MOF的雜化物等MOF衍生物的CDI性能，包括鹽的吸附能力（SAC）和循環參數(以循環為單位)。典型的碳，如碳納米管、活性炭和石墨烯，大多具有相對較低的SACs (0.20 mg g^-1)。此外，這些材料的循環穩定性通常小于50 CDI循環。對于含氧鹽水的性能下降更嚴重，循環壽命小于20 CDI循環。相比之下，大多數MOF衍生物表現出更大的SAC和更長的循環壽命。特別是，由MOF熱解和無熱解MOF衍生的熱解含金屬碳材料在含氧鹽水中表現出最先進的CDI性能，在SAC和長期耐用性方面超過基準材料的性能，可用于實際CDI應用。因此，提出MOF熱解和無熱解MOF衍生的含金屬碳材料可能是未來設計用于天然(含氧)鹽水實際海水淡化的CDI材料的方向。然而，高生產成本可能是大規模MOF衍生物應用的主要挑戰。此外，為了滿足工業應用的目標，MOF衍生物的CDI循環和SACs預計分別至少為5000次和450 mg g^-1。因此，MOF衍生物的實際應用還有很長的路要走。然而，隨著新的加工技術和合成方法的進一步引入，利用材料信息學促進合成過程，以及MOF組分成本的降低，可以進一步開發MOF衍生物，生產成本顯著降低，CDI性能和循環穩定性得到提高，這將為工業應用提供新的機會。

原文詳情：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/EE/D2EE03530H