Small：仿生礦化構筑花狀硒化鈷/石墨烯異質結構用于高性能除鹽電極

【導讀】

由于具有成本低、效率高和無污染等優點，電容去離子技術被認為是一種低成本的很有潛力的脫鹽技術。電極材料是電容去離子技術的核心要素，對除鹽表現起著舉足輕重的作用。因此，高性能電容去離子電極材料的研發至關重要。前期研究（Advanced Materials, 2023, 35, 2300940；Carbon, 2023, 118183；Small, 2021, 17(1), 2004827）表明，材料結構調控在提升電容去離子性能方面扮演著重要角色。

【成果掠影】

近日，來自山東科技大學的付民、清華大學的呂瑞濤、江蘇大學的潘建明與揚州大學龐歡合作，采用簡便的仿生礦化合成策略構筑了花狀硒化鈷(CoSe₂)/石墨烯異質結構（Bio-CoSe₂/rGO）。花狀結構牢固的錨定在石墨烯片層上，不僅增強了結構穩定性，而且改善了導電性，從而加速了離子傳輸和電荷遷移。良好的結構特性賦予了電極材料更好的電化學表現，所合成的Bio-CoSe₂/rGO復合電極材料表現出優異的除鹽性能（在1.2 V和300 mg L^-1?NaCl溶液中，最大除鹽量為56.3 mg g^-1，最大除鹽速率為5.6 mg g^-1?min^-1，60圈循環后保持率為92.5%）。吸附動力學研究表明，Bio-CoSe₂/rGO除鹽電極的電容去離子行為更符合準二級動力學模型，其對鈉離子的吸附由可逆的化學作用所主導。 該工作不僅豐富和拓展了仿生礦化合成策略的應用領域，而且為高性能電容去離子電極材料的設計提供了新的思路。研究成果以題為“Biomimetic mineralization synthesis of flower-like cobalt selenide/reduced graphene oxide for improved electrochemical deionization”發表在國際知名期刊Small上。

【核心創新點】

仿生礦化合成策略通過將沉淀劑和反應溶液分離，減慢晶體成核和生長速度，可獲得多級復雜的微納結構。本工作采用仿生礦化合成策略構建了花狀硒化鈷/石墨烯異質結構（Bio-CoSe₂/rGO），多種結構表征手段證實了這種異質結構的成功構建。這種異質結構能夠提供大量的接觸面積，充分釋放活性位點，加快電荷/離子傳輸。得益于花狀結構硒化鈷和高導電石墨烯之間的協同作用，所合成的復合電極材料表現出優于純花狀硒化鈷和水熱法所得硒化鈷/石墨烯復合材料的除鹽性能。電容去離子性能測試、吸附動力學計算和循環后的結構表征證實了這種異質結構在促進離子吸附和強化電荷/離子傳輸特性方面獨特的優勢。

【數據概覽】

圖1.?Bio-CoSe₂/rGO復合材料的仿生礦化合成示意圖（a）及形貌表征，(b,c,d,h) Co(OH)₂/GO，(e,f,g,i) Bio-CoSe₂/rGO。

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

圖3. 三種電極的性能對比。

圖4. Bio-CoSe₂/rGO電極不同電壓或不同鹽濃度下的電容去離子性能。

【成果啟示】

綜上所述，作者開發了一種簡便的仿生礦化合成策略，通過減慢晶體成核和生長速度，構筑了花狀硒化鈷/石墨烯異質結構。多種結構表征和吸附動力學計算證實了這種異質結構在促進離子吸附和強化電荷/離子傳輸特性方面獨特的優勢。所得的電極材料表現出優異的除鹽效果，為高性能電容去離子電極的設計提供了新的嘗試。

【文章鏈接】

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

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