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發(fā)表多篇論文! 青島科技大學袁勛教授團隊在電化學脫鹽領(lǐng)域取得新進展

來源:青島科技大學材料科學與工程學院      2020-07-28
導讀:青島科技大學材料學院袁勛教授團隊本著“深研電容脫鹽法,廣產(chǎn)淡水濟蒼生”的科研理念,致力于提升電容脫鹽速率和改善循環(huán)穩(wěn)定性,在電化學脫鹽領(lǐng)域取得系列進展,相關(guān)成果發(fā)表于著名國際期刊《Journal of Materials Chemistry A》(IF=11.301) [J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 8476;J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 1443] 及《Chemical Engineering Journal》(IF=10.652) [Chem. Eng. J., 2021, 403, 126326]。材料學院高層次人才劉勇副教授為該系列成果的第一作者,青島科技大學為唯一通訊單位。

由于極速的工業(yè)化和人口膨脹,淡水資源危機在全球范圍內(nèi)日益嚴重。鑒于全球97%以上的水資源為苦咸水/海水,因此,開發(fā)簡單、高效的苦咸水/海水淡化技術(shù)以應(yīng)對淡水資源危機變得刻不容緩。電容/電化學脫鹽技術(shù)作為20世紀90年代末興起的新型淡化技術(shù),具有能耗低、水利用率高、無二次污染等優(yōu)勢,有望成為21世紀最有效的海水淡化方法之一,受到各國政府和研究界的高度重視。然而,脫鹽速率不足和循環(huán)穩(wěn)定性差成為制約電化學脫鹽發(fā)展的兩大瓶頸,解決這兩大瓶頸問題也成為電容/電化學脫鹽領(lǐng)域的發(fā)展驅(qū)動力。

焦點問題一:電化學體系脫鹽速率的提升

 圖1(a)貫穿型“搖椅”電化學脫鹽原理示意圖;(b)MoC納米團簇鑲嵌超細碳纖維氣凝膠形貌結(jié)構(gòu)圖;(c)系列研究工作與文獻報道其他脫鹽系統(tǒng)的Kim-Yoon-Ragone對比圖。

電化學脫鹽系統(tǒng)雖然在脫鹽容量上相對傳統(tǒng)CDI有了顯著提升(由<20 mg·g-1提升至~120 mg·g-1),但其脫鹽速率卻并未得到改善,甚至有所下降(均在0.01-0.1 mg·g-1·s-1范圍內(nèi)),這導致了電化學脫鹽系統(tǒng)的高脫鹽容量難以在短時間內(nèi)得到充分發(fā)揮,成為了目前制約其發(fā)展的瓶頸。鑒于此,課題組分別通過器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和材料體系創(chuàng)新,在提升電化學脫鹽速率方面取得了明顯效果,兩項科研成果均被材料學1區(qū)期刊J. Mater. Chem. A錄用。

1.器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新:針對電化學脫鹽速率不足問題,該團隊將貫穿型水流模式和“搖椅式”電化學去離子器件相結(jié)合,首次提出了貫穿型“搖椅”電化學去離子概念(圖1a)。從器件結(jié)構(gòu)角度和流場角度出發(fā),通過改善體系傳質(zhì),實現(xiàn)了其脫鹽速率的飛躍(達0.46 mg·g-1·s-1),該數(shù)值遠高于當前電化學體系中已報道的脫鹽速率指標,如圖1c。(J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 8476)。

2.材料體系創(chuàng)新:同樣針對電化學脫鹽速率不足的問題,該團隊從材料學角度出發(fā),利用原位固相反應(yīng)策略,將超小MoC納米團簇嵌入碳纖維氣凝膠中,設(shè)計制備了具有快速離子嵌入脫出的贗電容材料體系(如圖1b),并作為電極材料應(yīng)用于贗電容去離子系統(tǒng),實現(xiàn)了其脫鹽速率的大幅提升(0.20 mg·g-1·s-1,如圖1c)。(J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 1443)。

焦點問題二:BiOCl材料作為氯離子法拉第電極脫鹽材料的循環(huán)穩(wěn)定性的改進

 圖2.基于BiOCl-CNF電極的氯離子響應(yīng)貫穿型搖椅式電化學脫鹽概念圖。

目前,電化學脫鹽系統(tǒng)發(fā)展迅猛,多種電極材料應(yīng)運而生。然而,電化學脫鹽體系的電極材料研究主要集中于陽離子(Na+)捕獲法拉第電極,針對陰離子(Cl-)捕獲的法拉第電極卻少有關(guān)注,目前僅有Ag類、BiOCl類等幾種材料體系。其中BiOCl材料憑借其穩(wěn)定可逆的Cl-儲存容量及相對低廉的成本迅速成為了研究焦點。然而,BiOCl材料存在循環(huán)穩(wěn)定性不足問題,嚴重限制了其進一步發(fā)展。

針對這一問題,該團隊采用靜電紡絲結(jié)合溶劑熱兩步法,以靜電紡絲碳納米纖維為骨架,在其骨架表面可控沉積BiOCl納米結(jié)構(gòu)(納米片、納米花、納米球),得到了BiOCl負載碳納米纖維復合結(jié)構(gòu)(BiOCl-CNF)并應(yīng)用于Cl-捕獲“搖椅式”電化學脫鹽體系(RCDI),如圖2。憑借其均一的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和整體式電極特征,該體系的循環(huán)穩(wěn)定性的到了顯著提升,30次循環(huán)后脫鹽容量仍保持在112.3 mg·g-1(僅下降9.4 %)。

同時,借助前期研究經(jīng)驗,論文進一步將貫穿式水流模式引入該體系,使其獲得了優(yōu)異的脫鹽速率(0.52 mg·g·s-1,目前文獻最高)以及超低的脫鹽能耗(66.8 Wh?m-3, ΔC = 5 mM)。(Chem. Eng. J., 2021, 403, 126326)。

本課題得到了山東省科技廳省屬優(yōu)青專項、泰山學者青年專家專項等項目的資助。

文章鏈接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta11537d#!divAbstract

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta14112j#!divAbstract

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720324542

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