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突破性進展！新型3D多孔碳銀復(fù)合材料顯著提升海水淡化效率

研倍 2025-05-26 | 閱讀：1108

淡水資源短缺與電化學(xué)脫鹽技術(shù)挑戰(zhàn)

隨著全球淡水資源危機加劇，高效低能耗的海水淡化技術(shù)成為研究熱點。電容去離子（CDI）技術(shù)因其低能耗、易再生等優(yōu)勢備受關(guān)注，但其核心電極材料的發(fā)展長期受限于氯離子存儲效率低和循環(huán)穩(wěn)定性差的問題。傳統(tǒng)銀（Ag）電極雖具備高理論容量（329 mg g?1），但在電化學(xué)循環(huán)中因體積膨脹（約225%）導(dǎo)致顆粒破碎失效，嚴重制約其應(yīng)用。

DOI:

MOF輔助熱解-電置換法

中南大學(xué)魏盾團隊在《Journal of Energy Chemistry》發(fā)表最新成果，提出一種金屬有機框架（MOF）輔助熱解結(jié)合電置換反應(yīng)的新方法，成功制備出超細銀納米顆粒錨定的3D有序多孔碳復(fù)合材料（3D Ag@NC），為高性能電極材料設(shè)計提供了全新思路。

制備流程亮點

3D模板構(gòu)建：以聚苯乙烯微球為模板，誘導(dǎo)ZIF-67結(jié)晶形成三維有序多孔結(jié)構(gòu)。

碳化與金屬錨定：高溫碳化獲得鈷嵌入多孔碳骨架（3D Co@NC），利用鈷與銀離子的電位差，通過自發(fā)電置換反應(yīng)（Co + 2Ag? → Co2? + 2Ag）實現(xiàn)銀顆粒的原位生成。

3. 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：

超細銀顆粒
（~5.03 nm）均勻分散，緩解體積膨脹應(yīng)力。
3D互連孔道
促進電子傳輸與電解質(zhì)滲透。
Co@Ag核殼異質(zhì)結(jié)
誘導(dǎo)界面電荷聚集，增強離子吸附。

高效脫氯與超強穩(wěn)定性

通過系統(tǒng)測試，3D Ag@NC展現(xiàn)出卓越的電化學(xué)性能：

脫氯容量：在1.4 V電壓下達105.29 mg g?1，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)Ag@NC（81.33 mg g?1）和活性炭（37.15 mg g?1）（圖b）。

電荷效率：高達0.95，接近理論極限（圖d）。

循環(huán)穩(wěn)定性：100次循環(huán)后容量保持率84.12%，遠超商用銀電極（31.22%）（圖i）。

高濃度適應(yīng)性：在2000 mg L?1 NaCl中仍保持114.91 mg g?1脫氯能力（圖g）。

結(jié)構(gòu)-性能協(xié)同效應(yīng)

有限元模擬：3D有序孔道加速離子擴散，電解質(zhì)滲透效率提升2倍（圖6c-d）。

2. XPS與XRD分析：

充放電過程中Ag/AgCl可逆相變證實氯離子存儲機制（圖6a, 7a）。

3. DFT計算：

Co@Ag界面形成內(nèi)建電場，d帶中心上移（-1.16 eV vs. Ag/C的-2.37 eV），顯著增強Cl?吸附活性（圖7d-f）。

結(jié)語

該研究通過電位差驅(qū)動自發(fā)電置換策略，解決了高溫還原導(dǎo)致的銀顆粒團聚難題，為小尺寸、高分散金屬電極的制備提供了普適性方案。未來可拓展至其他金屬（如Cu、Ni）復(fù)合材料開發(fā)，推動CDI技術(shù)在工業(yè)廢水處理、海水淡化等領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。

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