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電容去離子（CDI）技術(shù)具有效率高、易再生和易維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，在脫鹽、離子分離和回收等領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。近年來，CDI電極材料實(shí)現(xiàn)從以雙電層機(jī)理為代表的碳材料到法拉第電極材料的跨越，使得脫鹽性能有了大幅提升。高性能氯離子去除電極能夠顯著提升CDI的脫鹽容量，然而存在容量低、去除速率慢、易發(fā)生副反應(yīng)和循環(huán)性能差等問題。因此，開發(fā)兼顧高容量和快速率的新型除氯電極有利于促進(jìn)CDI技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也成為當(dāng)務(wù)之急。

Ti3C2Tx/Ag除氯電極制備、電化學(xué)脫鹽性能及機(jī)理圖

旨在解決上述問題，馬杰團(tuán)隊(duì)提出基于電池-贗電容電荷存儲(chǔ)耦合機(jī)制的全新設(shè)計(jì)思路，開發(fā)新型除氯Ag/Ti3C2Tx（銀/碳化鈦）電極，實(shí)現(xiàn)高容量、快速率、低能耗的除氯脫鹽。以低溶解度氯化銀膠體作為前驅(qū)體，利用Ti3C2Tx（碳化鈦）還原特性，原位合成Ag/Ti3C2Tx除氯電極材料。銀顆粒的電池轉(zhuǎn)化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高脫氯容量，Ti3C2Tx二維片層的贗電容特性可以提高離子傳輸速率。同時(shí)，以銀納米顆粒作為“橋”縱向連接導(dǎo)電性能優(yōu)異的二維片層結(jié)構(gòu)Ti3C2Tx，構(gòu)建一個(gè)三維電子傳輸網(wǎng)絡(luò)，彌補(bǔ)脫鹽過程中形成的氯化銀導(dǎo)電性差的缺點(diǎn)，加速電子在片層之間的傳遞，通過電池-贗電容電荷存儲(chǔ)機(jī)制的耦合，實(shí)現(xiàn)高容量、快速率、低能耗的除氯脫鹽，為開發(fā)CDI高效率除氯電極提供了全新的設(shè)計(jì)思路。該成果以“銀/碳化鈦電極耦合電池-贗電容電荷存儲(chǔ)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高容量、快速率的氯離子捕獲”（Combining Battery-Type and Pseudocapacitive Charge Storage in Ag/Ti3C2Tx MXene Electrode for Capturing Chloride Ions with High Capacitance and Fast Ion Transport）為題發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上，并被Materials Views China網(wǎng)站予以報(bào)道。

環(huán)境學(xué)院博士研究生梁明星和碩士研究生王雷（現(xiàn)為德國(guó)薩爾大學(xué)Volker Presser教授團(tuán)隊(duì)在讀博士）為共同第一作者，馬杰教授為通訊作者，上海海洋大學(xué)于飛副教授、德國(guó)薩爾大學(xué)Volker Presser教授為共同通訊作者，同濟(jì)大學(xué)為第一單位。

據(jù)悉，近年來團(tuán)隊(duì)在電容去離子去除水體污染物領(lǐng)域取得了原創(chuàng)性的研究成果，在《先進(jìn)科學(xué) 》（Advanced Science）《納米快報(bào)》（Nano Letters）《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》（Environmental Science & Technology）《水研究》（Water Research）等國(guó)際期刊上已經(jīng)發(fā)表了一系列論文。本項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市人才發(fā)展基金、同濟(jì)大學(xué)百人計(jì)劃和德國(guó)研究基金MXene-CDI等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202000621