课题组沈晓杰同学在JMCA上发表文章：给MXene加点“碱”高效稳定脱盐-同济环境功能材料实验室

课题组沈晓杰同学在JMCA上发表文章：给MXene加点“碱”高效稳定脱盐

作者：时间：2020-09-30 点击数：

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图形摘要：

1、全文速览：

北京化工大学海热提教授团队、上海海洋大学于飞副教授团队和同济大学马杰教授团队合作采用碱诱导的三维多孔Ti₃C₂T_x（Alk-Ti₃C₂T_x）复合二维片层Ti₃C₂T_x（d-Ti₃C₂T_x）合成全MXene（Alk-Ti₃C₂T_x-M）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。

2、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。长循环稳定性作为实现CDI工业可行性的重要指标之一，一直备受研究者的关注。CDI的长期稳定运行必须考虑投资和日常维护问题，而长期运行中电极材料性能的下降严重阻碍了CDI系统的实际应用。各种研究报告表明，在运行几天后，CDI的性能比初始性能下降了90％以上。脱盐能力的降低归因于1)电容性电极材料由于其遭受寄生性副反应和碳腐蚀而导致材料结构破坏，2）而电池性电极材料由于重复捕获/释放循环而遭受其晶体结构的不可逆变形。许多文献已为这种稳定性的下降提供了证据和解释，但是仍然需要切实可行的解决方案来提高其长期稳定性。对于解决方法一般有两个方向1）操作模式和2）电极材料本文基于新型电极材料开发，通过简单的真空辅助过滤策略，使用二维片层Ti₃C₂T_x MXene（d- Ti₃C₂T_x）和碱诱导的三维多孔Alk-Ti₃C₂T_x组装无粘合剂的Alk-Ti₃C₂T_x-M（Alk- Ti₃C₂T_x -M）电极用于HCDI。碱诱导MXene形成三维多孔结构，从而提高了具有连通孔的电极的稳定性，并且高表面积可确保快速的离子扩散和高的Na⁺负载量。而作为导电粘合剂的d-Ti₃C₂T_x片替代了传统的导电粘合剂，通过有效地适应体积变化并消除了传统导电粘合剂的电化学惰性成分，从而增强了电极的容量和长循环稳定性，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的应用。

3、本文亮点：

■ 碱诱导二维Ti₃C₂T_x纳米片组装成三维多孔Alk-Ti₃C₂T_x材料，并复合单片层Ti₃C₂T_x作为导电粘合剂制备全MXene自支撑薄膜电极；

■ Alk-Ti₃C₂T_x -M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

■ Alk-Ti₃C₂T_x -M膜电极电容去离子模块脱盐运行10天以上，容量仍能保持在75%以上。

4、图文解析：

■ 材料表征

三维多孔Alk-Ti₃C₂T_x由碱诱导二维MXene得到，随后将Alk-Ti₃C₂T_x和d-Ti₃C₂T_x混合过滤获得Alk-Ti₃C₂T_x -M膜电极材料。SEM和TEM显示加入碱的MXene由于片层堆叠形成3D多孔结构，XRD和XPS显示Na离子的插入及Na插入后材料层间间距增大。与Ti₃C₂T_x样品相比，Alk-Ti₃C₂T_x和Alk-Ti₃C₂T_x的大表面积和大孔体积表明碱化和Na离子插层可以有效地抑制MXene重堆积，并通过插入Na离子和d-Ti₃C₂T_x来形成开放的3D多孔结构

说明: 示意图-4

说明: fig-2

图1 Alk-Ti₃C₂T_x-M膜电极制备示意图（上）及Alk-Ti₃C₂T_x和Alk- Ti₃C₂T_x -M材料表征（下）

■ 电化学性能

电化学测试证明了Alk-Ti₃C₂T_x-M膜电极的赝电容特性, 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。Alk-Ti₃C₂T_x-M膜电极具有优异的电化学性能主要是由于其双模式离子存储机制（电容性和法拉第插层）。 1000个周期后CV曲线几乎保持不变，电容保持率为~91.2％，该结果表明Alk-Ti₃C₂T_x-M膜电极在水环境中的电化学稳定性能优异。

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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)电极的比电容与扫描速率的平方根倒数的关系, (f)电极的比电容与扫描率平方根的关系, (g) 电极的总电荷的外部电荷和扩散控制贡献和(h)电极的EIS。

■ 脱盐性能

脱盐性能测试表明Alk-Ti₃C₂T_x-M较Alk-Ti₃C₂T_x 和 Ti₃C₂T_x电极具有较高的吸附容量（50±3 mg）和去除率（1.63 mg/g/min）以及较低的能耗（0.078±0.015 kWh/kg-NaCl）。脱盐的长循环测试结果显示，脱盐容量在250次循环过程中（10天），容量基本维持在~35mg/g。与其它电极体系对比，Alk-Ti₃C₂T_x-M电极在保持较高脱盐容量的同时稳定性也很好，这是由于1）Alk-Ti₃C₂T_x-M电极的层间间距较大，为Na⁺提供了更多的吸附位点; 2）与Ti₃C₂T_x相比，由于Na+存在于Alk-Ti₃C₂T_x-M和Alk-Ti₃C₂T_x的材料里更适合于Na⁺存储；3）高导电性的d-Ti₃C₂T_x作为导电桥，可以确保快速有效的电子传输，从而提高Alk-Ti₃C₂T_x的利用率。

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图3 HCDI示意图、性能对比及膜电极吸附性能增强机理示意图。

5、总结与展望：

在本文中，我们通过简单的真空辅助过滤策略报告了使用2D分层Ti₃C₂T_x MXene（d- Ti₃C₂T_x）纳米片和3D多孔Alk-Ti3C2Tx的无粘合剂Alk-Ti₃C₂T_x MXene（Alk-Ti₃C₂T_x-M）。碱诱导MXene形成三维多孔结构，从而改善了材料本身的稳定性并提供了更多的吸附位。三维多孔结构可以克服插层/分层的晶格变化。同时，作为粘合剂的d-Ti₃C₂T_x片材通过有效适应体积变化并消除了传统导电粘合剂的电化学惰性成分，增强了电极的容量和稳定性。 Alk-Ti₃C₂T_x-M电极在电极容量方面具有显着优势（在1000 mg / L时为50±3 mg / g，40 mA / g），并且作为CDI阳极，在250个循环10天后性能保持稳定。这也为使用多种MXenes及其异质结构电极设计提供了更多的可能性。考虑到许多可用的二维材料 (MXenes和其他二维纳米片)，我们相信这种碱诱导材料结构变化的合成策略对于设计其他二维材料也具有较强的普适性。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/d0ta06994a