澳大利亞悉尼科技大學汪國秀研究團隊在海水淡化方面的研究取得重要進展

【引言】

進入二十一世紀,伴隨著世界人口和全球工業化進程的快速增長,能源與環境問題日益突出,特別是全球的淡水資源危機,已經刻不容緩。水資源的缺乏使海水淡化技術的研發更加緊迫。傳統的脫鹽技術,如反滲透、電滲析和離子交換,由于其本身不可忽視的高能耗及低效率等問題,已經不能滿足人類集約型社會發展的要求。

電容去離子技術(Capacitive deionization, CDI) 又稱電吸附去離子技術,它具有脫鹽效率高、低能耗、環境友好等優點, 電吸附去離子(CDI)是一種令人興奮的電化學方法，只需要保持兩個由多孔材料制作的電極之間存在穩定的電壓，需凈化的水從兩塊電極之間流過之后就會變成清潔水，與蒸餾和反滲透等替代方法不同，它既不需要高溫也不需要壓力來操作。雖然CDI技術的主要概念早在1960年就已經確立，但傳統的碳基CDI電極只在溶液鹽度較低時，表現得較為出色，僅適合處理微咸水而不是海水，因此，CDI技術進入工業規模的海水淡化應用，迫切需要開發高效的新型電極材料和設計。

【成果簡介】

澳大利亞悉尼科技大學汪國秀教授研究團隊和美國德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授（共同通訊）研究團隊在能源領域知名期刊《焦耳》Joule 2 (2018) 778 - 787上發表了論文，題為：“Porous Cryo-Dried MXene for Efficient Capacitive Deionization。研究人員從儲能電極材料的研究中得到啟發，他們設計和制備了以氣凝膠狀多孔MXene為載體的CDI器件，該器件在高溶液鹽度中，表現出色，能夠提供極高的電吸附能力，在極高濃度的鹽水（10000 毫克/升）中可獲得了118 毫克/平方厘米的高吸附容量，比傳統的碳基電極材料的吸附容量高出了一個數量級。多孔MXene-CDI器件顯著的提高了CDI技術的吸附效率，使得CDI技術的發展進入到了工業規模的海水淡化的新階段。

二維的金屬碳化物或氮化物（MXenes）作為新型的二維萬能材料，具有高比表面積、高電導率的特點，又具備組分靈活可調，最小納米層厚可控等優勢，在儲能和水處理以及光電化學催化等領域擁有巨大潛力。

多孔Ti3C2Tx-CDI器件的電吸附特性: (A) 不同NaCl濃度中，多孔Ti3C2Tx-CDI器件以及 Ti3C2Tx-CDI器件和活性炭-CDI器件的電吸附容量曲線（NaCl濃度的從100 mg/L至1萬mg/L）。(B) 500 mg / L 的NaCl濃度中，多孔Ti3C2Tx-CDI器件以及 Ti3C2Tx-CDI器件和活性炭-CDI器件的電吸附容量曲線。(C) 500 mg / L 的NaCl濃度中，多孔電極多孔Ti3C2Tx-CDI器件的電吸附和脫附循環曲線。(D) 500mg /L NaCl溶液中，多孔Ti3C2Tx-CDI器件在不同工作電壓下的電吸附容量變化。

為了利用MXenes的良好性能作為電極材料，需要確保電極材料有一個較大的的比表面積以達到最大的電容吸附和離子傳輸。然而由于范德瓦爾斯在層間的作用力，使得被剝離的MXne薄片容易重新堆疊，比表面積減小，研究人員巧妙的采用氯仿作為置換分子，使氯仿溶劑分子進入到MXene薄片中置換層級的直徑較小的離子，并進一步的擴大層間距，而后通過低溫真空冷凍干燥技術，除去溶劑分子，制備褶皺狀的三維的氣凝膠狀多孔MXene材料。

以氣凝膠狀多孔MXene為載體的超級電容器器件顯示出了極高的電容比容量（410 F/cm3 )，與此同時，在相同濃度的鹽水中，多孔MXene-CDI器件的電容吸附容量發揮是傳統活性炭-CDI器件的12.8倍之多。此外，多孔電極結構的設計有效的提高了離子傳輸性能，可在較短的時間內達到了最大的電吸附容量。

【小結】

多孔MXene-CDI器件的成功開發，有效的解決了傳統CDI器件在高鹽濃度下，吸附效率低的科學難題，使得電容吸附海水淡化技術的研究向前邁出了重要的一步，為海水淡化的研究提供了新的設計研究思路。

作為《細胞》（Cell）的姊妹刊，《焦耳》是一本致力于應對全球挑戰、發展可持續能源為目標，報道能源領域最新進展的知名學術期刊。

論文得到了Joule 雜志編輯部的高度重視，撰寫了題為“Maxing Out Water Desalination with MXenes”的同期評述，對該工作進行了詳細介紹和解讀

原文免費下載鏈接:https://authors.elsevier.com/a/1WvS4925JE5pxA

編輯評述 原文下載鏈接：http://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30138-7