由于严重的水短缺和全球污染，可持续的淡水供应是人类社会面临的严峻挑战。海水是提供足够的工业或饮用水的重要来源，具有高市场份额的相关脱盐技术包括反渗透和热蒸馏，但这些技术消耗大量能源。电容去离子（CDI）是一种新兴的脱盐技术，由于能耗低，化学投入低而受到广泛关注。通过在阳极和阴极上施加电压将带电物质从水性环境中去除。对于脱盐，分别通过阴极和阳极除去钠离子（Na+）和氯离子（Cl-）。由于二次电池电极材料的蓬勃发展，Na+去除电极（阴极）已从碳基电极发展到法拉第电极，并且CDI的脱盐性能也得到了显著提高。常规的碳基电极将离子捕获在双电层（EDL）中，并且电荷效率低，无法应用于高盐度的水中。法拉第电极通过可逆的氧化还原过程或插层存储钠离子，以实现更高的脱盐能力。
但是，除Cl电极（阳极）到目前为止还没有很大的发展，大多数研究都采用活性炭去除Cl-，因此有必要对用于CDI中Cl-存储的电极进行总结，以更好地指导电极系统的设计。首先，本篇综述介绍了基于电极材料的CDI配置的演变，表明阳极和阴极在CDI中具有同等重要的地位。其次，我们系统地总结了CDI中的阳极材料，并比较了不同电极的特性，包括Ag/AgCl，Bi/BiOCl，二维材料（层状双金属氢氧化物和MXene），氧化还原聚合物和电解质。然后，完善了Cl-存储的机制。与Na+储存相同，传统的碳电极通过基于EDL的电吸附来储存Cl-。 Ag/AgCl和Bi/BiOCl通过转化反应，即在与Cl-反应的过程中的发生相变除去Cl-。2D材料将Cl-储存在相邻层之间的空间中，称为离子插层，层状双金属氢氧化物（LDH）和MXene显示出相对较强的Cl-储存潜力。此外，氧化还原聚合物和电解质通过氧化还原反应诱导Cl-的储存。在上述所有材料中，Bi/BiOCl和LDH有望在CDI阳极构造中大容量且低成本。最后，为了进一步推动CDI阳极的设计，引入了应用于氯离子电池的电极。这是第一篇梳理CDI负极材料发展的论文，它提供了理论基础并启发了电极系统设计，以供将来研究之用。
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图1 CDI装置构型的演变
Fig. 1 Evolution of CDI configurations.
图2 除氯电极材料的SEM图
Fig. 2 SEM images of chlorine ion removal materials.
(a)Ag/10%CB; (b)AgCl@GA; (c)Bi; (d)BiOCl; (e)NiCoAl-LMO/rGO; (f)Ti3C2; (g)PPyCl@CNT.
图3 除氯电极材料CV和GCD曲线
Fig. 3 CV and GCD curves of chlorine ion removal materials.
(a) CV (1M NaCl, 1mV/s) and (b) GCD (0.1A/g) curves of Ag and AgCl; (c) LSV (0.6M NaCl, 5mV/s) and (d) GCD (1mA/cm2) profiles of Bi; (e) CV (1M NaCl, 1mV/s) curve of CuAl-LDO/rGO; (f) CV (1M NaCl, 5mV/s) curve of Ti3C2; (g) Half-cell CV curve of Ti3C2 with YP-80F as counter electrode; (h) CV (1M NaCl, 10mV/s) curve of PPyCl-CNT.
图4 二维材料离子插层示意图
Fig. 4 Ion interaction of two-dimensional materials.
(a) The ideal structure of carbonate-intercalated LDHs with different MⅡ/ MⅢ molar ratios; (b) Reversible Na+ (de)intercalation in Ti2CTx prepared by HF etching from MAX phase.
图5 (a) CDI储氯电极材料的机理示意图; (b) CDI储氯电极材料的脱盐容量对比图
Fig. 5 (a) Mechanisms for chlorine ion storage in CDI; (b) Desalination capacity comparison of CDI cells with different chlorine ion storage electrodes.
展望
(1)基于转化反应机理的材料(Ag和Bi)脱盐容量较高，然而Ag的价格昂贵问题难以解决，因此Bi/BiOCl的应用应该更加受到关注，且材料设计的重点应该放在如何提高Bi电极的转化效率。
(2)基于离子插层和氧化还原反应机理的材料虽然暂时不具备较高的脱氯容量，但是其特殊的性质使得这些材料在除氯电极中也具有很好的应用前景。二维材料中LDH具有很强的化学可调控性，通过改变过渡金属的种类即可获得不同的性质，然而，目前LDH并没有较高的稳定的脱氯容量。因此，后续研究应该进一步明确Cl-在LDH层间的嵌脱行为，并设计新的LDH获得更加好的脱盐性能；导电聚合物直接应用于CDI阳极的性能虽然较差，但是聚合物的导电性、黏着性和柔性应该在电极设计时应被充分利用。
(3)充分拓展除氯电极的应用场景。将海水中的氯离子脱去，能够解决其在电化学应用过程中产生氯气的问题，减少装置的腐蚀。同时，高性能氯离子去除电极的设计有望解决工业生产中高含氯废水的处理处置问题，具有重要的应用价值。
总之，法拉第除氯电极的发展将使得CDI装置的构型和脱盐性能实现进一步地提升，并在除氯领域有着更加广泛的应用。
文献链接：http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202006037
