EES：促进含氧盐水电容性去离子的金属-有机骨架衍生物

一、 【导读】

几十年来，水的可持续性一直是全世界最关注的话题之一。淡水资源的减少、水污染的加剧以及人口的增长加剧了供水危机。电容性去离子(CDI)是一种新兴的海水淡化技术，它将盐离子储存在多孔材料的内部孔隙中。CDI是一种基于双电层原理的电化学方法(EDL)，也被称为“电吸附”。理论上，CDI比其他海水淡化技术操作简单、能耗低、环境友好。在过去的20年里，CDI受到了越来越多的关注，CDI的概念比以前扩展了许多。目前，CDI不仅被定义为EDL电容式海水淡化技术，还包括各种基于电极充放电循环中离子储存/释放的电化学去离子技术。

越来越多的新型先进材料被开发和应用于CDI电极，作为传统碳材料的替代品。其中一些材料具有与EDL电容原理非常不同的离子捕获机制。为了开发这些新材料，人们开发了不同的电池结构以获得更好的CDI性能，从而衍生出了膜CDI、流动-电极CDI、混合型CDI、倒置CDI、摇椅式CDI、双离子电化学去离子、甚至氧化还原流电化学去离子等CDI变体。这一时期可以被认为是第二代CDI技术的时代，即“CDI- x”。

尽管在扩展CDI材料库和CDI概念方面取得了进展，但基于多孔碳材料的CDI技术仍然占主导地位。MOF衍生物为扩展适用于CDI技术的先进材料库，并提高其性能提供了新的方向。

二、【成果掠影】

近日，浙江海洋大学徐兴涛教授与名古屋大学教授Yusuke Yamauchi在文章中主要讨论碳基材料在CDI中的限制，特别是在含氧(天然)盐水中的性能，并进一步介绍了金属-有机骨架(MOF)衍生物在提高CDI性能方面的应用，特别是在含氧(天然)盐水中的应用。最后，对CDI的发展前景进行了展望。

相关研究工作以“Metal–organic framework derivatives for promoted capacitive deionization of oxygenated saline water”为题发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science上。

三、【核心创新点】

作者强调了金属有机框架(MOF)衍生物的重要性，如热解碳、热解含金属碳和MOF基杂化物作为传统碳材料的替代品，特别是对于含氧盐水的CDI。MOF衍生物也表现出了增强的盐吸附能力和循环稳定性。通过仔细比较已发表的MOF衍生物与常规碳的CDI性能(盐吸附容量与循环寿命)数据，预测CDI性能提升的MOF衍生物将成为未来工业CDI应用的选择。

四、【数据概览】

图1 Web-of-Science在过去20年使用关键词“电容去离子化”或“电吸附”的出版物和引用记录(截至2023年2月)。©Royal Society of Chemistry 2023

图2CDI的主要局限性和使用MOF衍生物的解决方案。(a) CDI工艺长期循环过程中常规碳材料性能退化示意图。(b和c) MOF衍生物示意图，其中(b)为制备热解碳和热解含金属碳的MOF热解方法，(c)为使用导电剂制备MOF基杂化物的无热解方法。(d)利用MOF衍生物(即热解碳、热解含金属碳、MOF和基于MOF的杂化物)在SAC和循环稳定性方面提高了CDI性能。©Royal Society of Chemistry 2023

五、【成果启示】

作者总结了热解碳、热解含金属碳、MOF和基于MOF的杂化物等MOF衍生物的CDI性能，包括盐的吸附能力（SAC）和循环参数(以循环为单位)。典型的碳，如碳纳米管、活性炭和石墨烯，大多具有相对较低的SACs (0.20 mg g^-1)。此外，这些材料的循环稳定性通常小于50 CDI循环。对于含氧盐水的性能下降更严重，循环寿命小于20 CDI循环。相比之下，大多数MOF衍生物表现出更大的SAC和更长的循环寿命。特别是，由MOF热解和无热解MOF衍生的热解含金属碳材料在含氧盐水中表现出最先进的CDI性能，在SAC和长期耐用性方面超过基准材料的性能，可用于实际CDI应用。因此，提出MOF热解和无热解MOF衍生的含金属碳材料可能是未来设计用于天然(含氧)盐水实际海水淡化的CDI材料的方向。然而，高生产成本可能是大规模MOF衍生物应用的主要挑战。此外，为了满足工业应用的目标，MOF衍生物的CDI循环和SACs预计分别至少为5000次和450 mg g^-1。因此，MOF衍生物的实际应用还有很长的路要走。然而，随着新的加工技术和合成方法的进一步引入，利用材料信息学促进合成过程，以及MOF组分成本的降低，可以进一步开发MOF衍生物，生产成本显著降低，CDI性能和循环稳定性得到提高，这将为工业应用提供新的机会。

原文详情：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/EE/D2EE03530H