本文采用小片层Ti₃C₂T_x（S-Ti₃C₂T_x）为插层剂复合大片层Ti₃C₂T_x（L-Ti₃C₂T_x）合成全MXene（L-S-Ti₃C₂T_x））自支撑薄膜电极材料，并将其应用于电容去离子海水脱盐中，实现对水中盐分的高效稳定去除。

 

 

 

 

背景介绍：

 

电容去离子（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。二维纳米材料石墨烯、MoS₂和MXene等在海水淡化应用中呈现出优异的性能。石墨烯等多孔碳基材料因多孔结构的双电层重叠效应和电极表面的同离子效应会降低电荷效率，增加能耗，脱盐能力低，限制了其进一步的发展和应用。MXene是一种类石墨烯二维材料，具有超高体积比容量、金属级导电性、良好的亲水性及丰富的表面化学，MXene类材料也有一些缺点亟需解决，如在水/氧环境中容易氧化、致密的层间堆叠等限制了其在CDI中的应用。针对二维材料MXene层间堆叠易团聚的问题，论文提出MXene“大小通吃”的材料合成策略，同时可自支撑成膜，避免传统电极制备方法中添加导电剂和粘合剂导致性能下降，无法发挥材料自身性能的难题，有效推动MXene等二维片层材料电极的设计及其在电容去离子技术中的应用。

 

1、本文亮点：

 

n  S-Ti₃C₂T_x作为插层剂防止L-Ti₃C₂T_x堆叠，制备全MXene自支撑薄膜电极；

 

n  L-S-MXene膜电极具有优异的导电性、离子进入性和优异的循环稳定性

 

nL-S-MXene膜电极电容去离子模块脱盐容量可达72 mg NaCl/g L-S-MXene；

 

2、图文解析：

 

n  材料表征

 

 

不同尺寸的L-Ti₃C₂T_x（≥1 μm）和S-Ti₃C₂T_x（~500 nm）纳米片通过超声和离心筛选分离获得。XRD谱图分析显示L-S-Ti₃C₂T_x较L-Ti₃C₂T_x和S-Ti₃C₂T_x层间间距有明显的增加。尽管L-S-Ti₃C₂T_x的比表面积极低，但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机理被富集在活性炭电极上。

 

 

 

 

 

 

 

 

图1 L-S-MXene膜电极制备示意图（左）及L-S-Ti₃C₂T_x膜电极光学图片（A-C），表面及截面的扫描电镜图片(D-G)，（H）L-S-Ti₃C₂T_x，S-Ti₃C₂T_x和L-Ti₃C₂T_x膜电极的XRD谱图（H）

 

 

n  电化学性能

电化学测试证明了L-S-Ti₃C₂T_x电极的赝电容特性, 并具有优异的电化学性能和循环稳定性。循环伏安（CV）测试未发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。L-S-Ti₃C₂T_x膜电极具有优异的电化学性能主要是由于L-Ti₃C₂T_x的高电导率和S-Ti₃C₂T_x的高电容共同作用的结果。5000个循环后CV曲线几乎保持不变，电容保持率为~91.7％，该结果表明L-S-Ti₃C₂T_x的电化学稳定性能优异。  

 

 

 

 

图2 (A)CV曲线（10 mV/s），(B)在不同扫描速率下的比电容，(C)在不同扫描速率下测得的CV曲线，(D)不同电流密度下的GCD曲线，(E)膜电极的EIS和(F)膜电极的循环稳定性曲线。

 

 

n  脱盐性能

 

脱盐性能测试表明L-S-Ti₃C₂T_x较L-Ti₃C₂T_x和S-Ti₃C₂T_x膜电极具有较高的吸附容量（72 mg NaCl/g L-S-Ti₃C₂T_x）和去除率（1.66 mg/g/min）以及较低的能耗（0.785±0.015 kWh/kg-NaCl）。随着电压的增加，脱盐能力逐渐提高，当电压范围从±1.0 V扩大到±1.6 V时，性能从18提升至72 mg NaCl/g L-S-Ti₃C₂T_x。脱盐的长循环测试结果显示，脱盐容量在50次循环过程中基本维持在~40mg/g，与其它电极体系对比，L-S-Ti₃C₂T_x电极可以保持较高脱盐容量的同时，呈现出优异的稳定性，这主要是由于L-Ti₃C₂T_x的高电导率和S-Ti₃C₂T_x的高电容共同作用的结果。

 

 

 

 

 

 

图5（A-B）HCDI 示意图，(C)电压范围（±1.6 V）的吸附容量和去除率，(D) 去除率和能耗比较，(E)不同电压范围的吸附容量(F) 电流密度（40 mA/g）和电压范围（±1.4 V）下的长循环性能， (G)膜电极吸附性能增强机理示意图。

 

1、总结与展望：

 

论文采用本文t具体的比容量、金属级导电性、良好的亲水性及丰富的表面化学，L-Ti₃C₂T_x纳米片作为导电网络和活性物质，S-Ti₃C₂T_x纳米片用作插层材料和活性物质，设计并成功制备了L-S-Ti₃C₂T_x薄膜复合电极，该复合电极具有较高的导电性、离子进入性、优异的比电容(169F/g，5mV /s)和长循环稳定性(5000次循环后保持了初始电容的91.7%)。将其应用于电容去离子脱盐中，具有较高的电吸附能力(72 mg NaCl/g L-S-Ti₃C₂T_x, 10 mM NaCl溶液)。机理分析表明插层剂S-Ti₃C₂T_x纳米片有效地防止了MXene纳米片的堆叠并提高了层间间距，从而暴露了更多的活性位点，促进电子传递，缩短钠离子的扩散路径，改善了复合电极的电化学和脱盐性能，并实现了优异的长期循环稳定性。这也为MXenes类化合物及其异质结构电极设计提供了更多的可能性。考虑到目前广泛使用的二维材料片层材料(氮化硼（BN）、二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）、MXene、石墨烯等)，我们相信这种“大小通吃”的材料合成策略对于设计其他二维材料也具有较强的普适性。

 

课题组网站：https://nano.tongji.edu.cn/

 

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.9b05759