双离子嵌入型杂化电容去离子电极的设计、制备及性能调控

The capacitive deionization (CDI) based on electrical double layer theory is envisioned to be a new electrochemical adsorption approach. Currently, CDI faced such drawbacks as low salt adsorption capacity, low salt adsorption rate and low charge efficiency. In this proposal, nano-sized Na2TinO2n+1 and BiOCl will be fabricated and subjected to hybrid CDI as cathode and anode, respectively. The morphology and micro-interfacial structure of materials will be tuned by doping, coating and grafting functional groups. The relationships between morphologies, surface physicochemical properties and salt adsorption capacity, salt adsorption rate, charge efficiency and salty ions batteries’ behavior will be established. The diffusion process of the salty ions on the surface of the electrodes will be simulated to investigate the electric adsorption-diffusion dynamics and the inhibition mechanism of the hybrid electrodes on the co-ion effects will be clarified. Moreover, the theoretical models will be developed by exploring the synergistic promoting effects as well as insertion-desertion mechanism on the CDI performance. This work will lay a solid scientific foundation for the design and application of high-performance CDI electrodes.

以双电层模型为基础理论的电容去离子(Capacitive deionization, CDI)是一种新型的电化学脱盐方法。针对当前CDI脱盐容量低、速率低和电荷效率低等难题，本项目设计并制备层状纳米Na2TinO2n+1及BiOCl化合物分别作为非对称CDI的负极和正极，构筑双离子嵌入型杂化CDI。通过掺杂、包覆、功能化修饰，调控电极形貌和微界面结构等特征；明确电极形貌结构、表面物化性质与脱盐容量、脱盐速率、电荷效率和盐离子电池性能的构效关系；研究该嵌入式CDI电极的电吸附-扩散动力学规律并明晰其对共离子效应的抑制作用机制；揭示脱嵌机制对杂化CDI脱盐性能的影响规律和协同作用机理并建立理论模型，为高性能CDI脱盐电极的设计和应用奠定科学基础。

传统的碳基电容去离子（Capacitive deionization，CDI）吸附效率低、传质阻力高且存在由本征缺陷所引起的自发吸附，导致脱盐容量和电荷效率严重下降。针对上述问题，本项目设计并制备了系列盐离子脱嵌电极，研究不同CDI脱嵌电极的电吸附规律并明晰其增强型CDI特性的脱盐机制。主要研究内容和结果有：（1）开发了系列NaxCoO2电极，发现了电化学预活化特性，结果表明通过调整Na+的含量可对脱盐容量进行调控。在此基础上，提出了Ag@rGO || NCO不对称双离子CDI（A-CDI），其脱盐电荷效率高达97%。进一步地，以金属有机框架为模板制备了多面体状的3D Na0.6CoO2，该电极的脱盐容量为64.48 mg g-1，提出了3D Na0.6CoO2电极的脱盐机理。（2）制备了具有核-壳纳米管结构的Carbon@Na4Ti9O20（C@NTO）。C@NTO的脱盐容量高达66.14 mg/g，同时电荷效率接近100%，经历50圈循环后脱盐容量的衰减量仅为3.78 mg/g。（3）制备了层状 CuAl-混合金属氧化物(CuAl-LDO)并将其作为Cl-脱嵌电极。CuAl-LDO‖AC CDI具有39.08 mg/g的脱盐容量，电荷效率为 80.72%，但长循环容量保持率仅为19%。研究发现随着CDI循环的增加，形成了Cu(OH,Cl)2·2H2O的沉积物，导致CuAl-LDO的脱盐容量急剧下降。为了提高CuAl-LDO的脱盐容量并改善其循环特性，在还原氧化石墨烯上生长垂直排列的CuAl-层状双氧化物(CuAl-LDO/rGO)。结果表明，CuAl-LDO/rGO 在1000 mg/L的NaCl溶液中具有64.0 mg/g的高脱盐容量。20次循环后，容量仍为58.0 mg/g，容量保持率为初始值的90%。进一步地研究表明，与随机取向的CuAl-LDO纳米薄片相比，Cu(OH,Cl)2·2H2O纳米颗粒在CuAl-LDO/rGO中的聚集可以被有效抑制在rGO层间，从而提高了复合电极整体的脱盐性能。