基于改性过渡金属氧化物混合型电容去离子的苦咸水淡化机理研究

The utilization of brackish water is an important approach to solve global water crisis. Capacitive deionization (CDI) includes the advantages of low energy consumption, high efficiency, and environmental friendliness, but is limited by its poor desalination performance. The practical application still remains many challenges. On the basics of the previous works, we propose a strategy to enhance the desalination efficiency via building hybrid CDI (HCDI) system, which utilizes the insertion theory of Faradic cathode and electrical double layer theory of capacitive anode to desalinate brackish water. The project aims to 1) prepare high-performance Faradic cathode via regulating oxygen vacancy in transition metal oxide, build HCDI system by combing porous carbon anode and optimize its structural parameters, and investigate the influence factors of brackish water efficiency for HCDI; and 2) establish HCDI sorption model, study the differences between HCDI and CDI in aspects of dynamics, thermodynamics, and charge efficiency, and study the mechanism of enhanced brackish water desalination efficiency by HCDI. Compared with conventional techniques, the brackish water utilization efficiency in this project would increase up to 50% under same energy consumption. Our project is believed to have great theoretical significance and practical value in solving domestic freshwater crisis and ensuring rural drinking water safety.

苦咸水利用及资源化，是应对全球水资源危机的重要途径。电容去离子（CDI）苦咸水淡化技术节能高效、绿色环保，但由于淡化效率较低，在实际应用中仍然面临诸多挑战。本项目基于前期研究基础，提出一种增强苦咸水淡化效率的思路：构建混合型CDI（HCDI）系统，基于法拉第负极嵌入机制及电容型正极双电层吸附理论进行脱盐，最终实现苦咸水高效利用。主要内容包括：1）基于氧缺陷调控过渡金属氧化物构筑高性能法拉第负极，结合多孔碳正极，构建HCDI系统并优化其结构，探索影响HCDI苦咸水淡化效率的因素；2）建立HCDI吸附模型，对比分析HCDI与CDI在动力学、热力学规律及电荷效率方面的差异，探究HCDI增强苦咸水淡化效率的内在机制。与传统技术相比，预期在同等能耗条件下，本项目苦咸水淡化效率将提升50%以上。本项目研究成果对解决我国淡水资源短缺、保障农村饮水安全具有重要理论意义及应用价值。

水是生命之源，水利关系到国计民生。我国水资源总量居世界第六但人均仅为世界平均的四分之一，如何保障水资源安全一直是我国水利工程与水资源科学领域的一个前沿研究课题。常规水资源的开发利用受限于其可利用量及时空分布不均和水污染严重等问题，解决清洁水资源的供给侧问题是我国可持续发展的长远保障。研究围绕清洁水生产与农村饮水安全保障面临的关键科学问题与“卡脖子”技术难题，在电容去离子苦咸水资源利用的理论技术上取得了创新性成果。研究以过渡金属氧化物等电容去离子电极的创新制备与改性为研究对象，通过引入纳米建筑学的合成理念，实现了对电极材料的组成结构形貌的多组态调控，阐明了材料结构-电容去离子性能之间的内在构效关系，在实现苦咸水资源利用效率提升的同时，大幅降低了能耗。研究成果以第一/通讯作者在Angew Chem、ACS Nano、Mater Horiz、Chem Sci、Chem Mater、Nano Energy等国内外期刊发表学术论文26篇，其中6篇论文入选ESI高被引论文等荣誉；所提出的变“废水”为“可用之水”的“低成本苦咸水淡化新方法”具有科学和应用价值，被新华社等多家媒体广泛报道；同时获得授权发明专利多项，负责人荣获日本科学振兴会（JSPS）Fellow、全球前2%顶尖科学家（2020-2022）、RSC高被引作者等荣誉。