同济大学环境科学与工程学院马杰教授课题组采用化学共沉淀法合成尺寸均匀的尖晶石型铁氧体ZnFe2O4纳米颗粒，并将其作为电极材料应用于电容去离子中，实现了对水中盐分的高效稳定去除。
背景介绍
电增强吸附又称电容去离子（Capacitive Deionization，CDI）是近年来新型水处理技术热点之一，可应用于浓水淡化、污染物去除、氮磷回收、硬水软化和离子筛分，其中关于浓水淡化（脱盐）的研究迅速增长。从传统的碳基电极材料到法拉第电极材料，电容去离子技术的性能和内涵得到巨大的提升和拓展，而电极材料是电容去离子技术的核心，是提升吸附容量、去除效能和循环稳定性的关键，通过新型电极材料的设计和开发，对于有效推动电容去离子技术的规模化应用具有重要意义。
本文亮点
n 合成尖晶石型铁氧体ZFO纳米片电极材料并应用于除盐水处理中；
n ZFO纳米片基电容去离子系统脱盐容量可达136.6 mg NaCl/g ZFO；
n 电容去离子脱盐系统吸附/脱附循环稳定运行200次。
图文解析
n 材料表征
ZFO纳米颗粒结晶良好，尺寸在30 nm左右，颗粒分布均匀。XRD谱图和XPS分峰分析显示ZFO的化学式符合ZnFe2O4构型。ZFO的比表面积（SSA）约为29 m2/g，尽管SSA值较低，但ZFO电极仍具有出色的脱盐能力，表明赝电容脱盐机理占优，而非依赖于大比表面积的双电层脱盐机制（EDL）。在充电过程中，电子被转移到阴极，同时Na+被去除，而Cl-则通过EDL机理被固定在活性炭电极上。
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图1 ZFO的(a) SEM图像，(b, c) TEM图像，(d) EDS分析，(e) 脱盐过程和ZFO晶体结构的示意图，(f) SEM-mapping。 |
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| 图2 ZFO的(a) XRD，(b) N2吸附/脱附等温线，(c) 孔径分布拟合结果，(d) Zn 2p，(e) Fe 2p和(f) O 1s的XPS分峰分析。 |
n电化学性能
电化学测试证明了ZFO电极的赝电容特性和稳定性，循环伏安（CV）曲线未出现可识别的氧化还原峰，相应地，在不同电流密度下的恒电流充电/放电（GCD）曲线也未出现平台。在不同的电流密度下，充电和放电容量几乎相等，表明库仑效率较高。100个周期后CV曲线几乎保持不变，电容保持率为~99.35％；同样，经过100次充放电循环后，GCD曲线稳定，该结果表明ZFO在水环境中的电化学稳定性能优异。
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| 图3 (a) 在不同扫描速率下测得的CV曲线，(b) 扫描速率为5 mV/s的CV曲线，(c) 10 mV/s下100次循环后的CV曲线，(d) 不同电流密度下的GCD曲线，(e) 不同电流密度下的充放电容量，(f) 2 mA/cm2下100个循环后的GCD曲线。 |
n 脱盐性能
本文研究了不同工艺参数对脱盐性能的影响。随着电流密度的增加，脱盐能力逐渐降低，而当降低电流密度时，脱盐能力又回到高水平。在各种电流密度下工作后，脱盐能力的保留率为~91.3％。当电压范围从±1.2 V扩大到±1.4 V时，性能从75.4 ± 4.7提升至120.6 ± 3.5 mg NaCl/g ZFO，电流和电压的影响可以用最大允许电荷量（MAC）理论解释。在±1.2 V的电压范围内，能耗为0.3 kWh/kg NaCl，在±1.6 V下，能耗提高到0.76 kWh/kg NaCl；相反，能量回收率从23.3％降低到9.2％。脱盐的长循环测试结果显示，脱盐容量在200次循环过程中基本维持在~60 mg/g，且吸附与脱附容量相等。
与其它电极体系对比，ZFO电极在保持较高脱盐容量的同时稳定性也很好。另外，Zn2+的含量对晶体形成和脱盐性能也存在重要影响，相关数据和讨论在SI中。
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| 图4 在不同(a) 电流密度，(b) 电压范围和(c) 初始NaCl浓度下的脱盐容量，(d) 不同电压下的能耗和能量回收率，(e) 在长循环脱盐实验中，第1、20和200个循环的电压-时间曲线，(f) ZFO与其它新材料之间的脱盐容量和循环稳定性的比较，(g) 电流密度（40 mA/g）和电压范围（±1.2 V）下的长循环性能， (h) 长循环脱盐实验前后ZFO电极的SEM图像。 |
n总结与展望
在该项研究中，锌尖晶石型铁氧体纳米粒子无需进行化学修饰和改性（如碳包覆等），材料合成和电极制备方法简单。最佳条件下（ZFO电流密度为30 mA/g、电压范围为±1.4 V、初始浓度为100 mM），脱盐容量可达到136.6 mg NaCl/g ZFO。此外，电容去离子除盐系统在10多天的运行过程中，仍然保持良好的脱盐容量和电极稳定性，显示出良好的应用前景。同时，该研究初步评估了小型的CDI系统的成本（$ 0.33 / g NaCl），低成本来源于简单的合成方法和优异的脱盐效能，体现出赝电容电极材料ZFO在实际脱盐中的巨大应用潜力和发展前景。
课题组网站：https://nano.tongji.edu.cn/
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.0c00027
