本文亮点

■  采用低溶解度AgCl胶体作为前驱体，利用Ti₃C₂T_x还原性，原位合成不同载银尺寸的Ti₃C₂T_x/Ag电容去离子脱氯电极材料；

■  Ti₃C₂T_x/Ag-3电极具有序的片层堆积结构， Ag纳米颗粒均匀地分散在片层结构中，以Ag作为“Bridges”，构建一个三维电子传输网络，实现了高容量、快速率和低能耗的除氯；

■  脱盐机制表明，Ag/AgCl的转化效应实现较高脱氯容量，Ti₃C₂T_x的赝电容特性易于离子传输，通过电池-电容耦合机制实现高效除氯。

图文摘要

基于目前的除氯电极无法同时兼顾容量、速率的问题，本文利用Ag/AgCl转化效应和Ti₃C₂T_x的赝电容特性，提出了电池-电容耦合机制应用于除氯脱盐研究，实现高容量、快速率和低能耗的脱盐除氯效果。

 

图文导读

■  Ti₃C₂T_x/Ag电极材料的制备与表征

本研究利用Ti₃C₂T_x具有一定的还原特性以及AgCl胶体较小的溶解度（缓慢释放Ag⁺），通过控制反应时间，在Ti₃C₂T_x上原位合成了不同载银尺寸的纳米颗粒。

Figure 1. Schematic preparation of Ti₃C₂T_x/Ag samples.

XRD测试表明，Ti₃C₂T_x可将AgCl胶体还原为Ag纳米颗粒，当反应时间超过6小时，所有的AgCl胶体全部转化为Ag颗粒；反应时间从3 h增加到12 h，Ag颗粒的尺寸不断增大；XPS结果表明，3 h样品（Ti₃C₂T_x/Ag-3）同时存在Ag⁰和AgCl，Ti₃C₂T_x表面含有大量的含O、含F官能团，这有利于提高整个样品的亲水性；从水接触角测试结果可以看出，所有样品都是亲水的，随着反应时间的增加，样品的亲水性更好，这可能得益于Ag含量的增加。

Figure 2. a) X-ray diffraction patterns of Ti₃C₂T_x/Ag prepared with different reaction times and b-e) Transmission electron micrographs of Ti₃C₂T_x/Ag with reaction times of 3 h, 6 h, 9 h, 12 h. X-ray photoelectron emission spectra of Ti₃C₂T_x/Ag-3: f) survey spectrum, g) Ti 2p, h) C 1s, i) O 1s, j) F 1s, and k) Ag 3d. l) Optical micrographs of the water contact angles on the surface of Ti₃C₂T_x/Ag corresponding to reaction times of 3 h, 6 h, 9 h, and 12 h.

■  Ti₃C₂T_x/Ag电极材料的电化学性能

Ti₃C₂T_x/Ag电极材料的CV曲线出现了明显的氧化还原峰，这源于Ag与AgCl之间的转化反应。相比Bi和Ag电极，Ti₃C₂T_x/Ag电极具有更低的氧化还原电势，表明Ti₃C₂T_x的引入，有利于离子的扩散传输，促进了转化反应的发生，提供了更多的电吸附位点。恒流充放电曲线证明了在充放电过程中电池反应的发生，根据计算，Ti₃C₂T_x/Ag-3在不同的电流密度下，具有最高的电化学容量，这源于较小的Ag纳米尺寸与电解质接触面积更大，具有更高的反应活性。电化学交流阻抗图谱（EIS）揭示了随着反应时间的增加，样品的电荷转移阻力逐渐减小，这是因为随着反应时间的增加，样品的亲水性和Ag含量都得到提高，有利于界面电荷的转移。

Figure 3. a) Cyclic voltammograms at a scan rate of 0.5 mV/s, b) galvanostatic charge/discharge with potential limitations profiles, c) Charging and discharging capacities at various specific currents, and d) Nyquist plots from electrochemical impedance spectroscopy measurements of Ti₃C₂T_x/Ag-3, Ti₃C₂T_x/Ag-6, Ti₃C₂T_x/Ag-9, and Ti₃C₂T_x/Ag-12.

■  Ti₃C₂T_x/Ag电极材料的脱盐除氯性能

脱盐测试表明，随着比电流的增加，由于电极极化程度增加，使得Cl^-去除容量减小。在20 mA/g的比电流下，Ti₃C₂T_x/Ag-3电极的平均脱氯容量可以达到135 mg-Cl^-/(g- Ti₃C₂T_x/Ag-3)，约等于110 mg_NaCl/g_electrode。在不同的比电流下，Ti₃C₂T_x/Ag-3样品都展现了最优异的脱盐除氯性能。此外，在50 mA/g比电流下，Ti₃C₂T_x/Ag-3电极的脱氯能耗最低，只有0.42 kWh/kg-Cl^-。Ti₃C₂T_x/Ag-3电极还展现了较快的脱盐除氯速率，可以达到1.5 mg-Cl^-/(g-Ti₃C₂T_x/Ag-3)/min，远高于其他时间的样品。Ti₃C₂T_x/Ag-3电极材料表现出较好的循环稳定性。Ti₃C₂T_x/Ag-3电极材料具有以上优异的脱盐除氯性能，得益于以下几点：i) Ti₃C₂T_x的二维片层结构有利于离子的扩散传输；ii)由Ag和Ti₃C₂T_x构成的三维导电网络可以弥补AgCl导电性差的问题，加速电子在片层之间的传输；iii)电池-电容耦合（转化反应和赝电容插层行为）所产生的协同效应促进了Cl^-的脱除。同其他的脱氯电极材料相比，Ti₃C₂T_x/Ag-3电极材料同时具有高容量、快速率的脱盐性能，具有一定的应用前景。

Figure 4. a) Desalination capacity of Ti₃C₂T_x/Ag-3 at specific currents of 20 mA/g, 30 mA/g, 50 mA/g and 100 mA/g. b) Comparison of the desalination capacity of Ti₃C₂T_x/Ag-3, Ti₃C₂T_x/Ag-6, Ti₃C₂T_x/Ag-9, and Ti₃C₂T_x/Ag-12 at various specific currents. c) Contrast of energy consumption and chloride ion removal rates of the four kinds of materials at a specific current of 50 mA/g. d) Cycling performance of Ti₃C₂T_x/Ag-3 at a specific current of 100 mA/g. e) Comparison of the desalination capacity and rate among the different electrodes. f) Power-law relationship between peak current and scan rates for Ti₃C₂T_x/Ag-3. g) Desalination mechanism of the Ti₃C₂T_x/Ag electrode for electrochemical desalination.

研究团队近年来在电容去离子电极材料设计、膜电极制备以及环境应用领域开展了系列工作，电极材料设计：Na₃V₂(PO₄)₃@C法拉第电极（Nano Lett. 2019, 19, 823，ESI高被引），尖晶石型铁氧体ZnFe₂O₄（Environ. Sci. Technol. Lett. 2020, 7, 118.）和介孔无定形FePO₄纳米球@石墨烯电极（Chem. Eng. J. 2019, 370, 938）； 膜电极制备：“大加小”/“碱化组装“全MXene基薄膜电极（Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 4554.，J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/D0TA06994A）、MXene薄膜电极（Chem. Eng. J. 2020, 384, 123329）；环境应用：水体污染物去除及磷资源化回收（Water Res., 2020,184, 116100，J. Hazard. Mater., 2020, 382, 121039）。团队撰写发表电容去离子在离子分离中相关综述论文”（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 15999, Acta Phys.-Chim. Sin., 2017, 33, 1338）

文献链接：https://doi.org/10.1002/advs.202000621