由于能量效率高和电化学可逆，电容去离子（CDI）技术成为下一代水处理和净化最具前景的技术之一。由于成本低，多孔碳材料（如活性炭）在实际CDI脱盐中被广泛应用。然而，在高盐浓度下，活性炭的盐吸附容量低，限制了其进一步发展。在循环过程中，不可逆的碳氧化作用会致使活性炭电极不可避免地被氧化降解，破坏其内部孔结构，从而导致其盐吸附能力丧失，严重影响活性炭电极的循环稳定性。有鉴于此，同济大学马杰教授团队和上海海洋大学于飞团队合作，利用限域生长策略，一步原位合成氮掺杂、碳包覆的二氧化钛（N-TiO_2-x/C）电极材料，实现高容量、快速率、高循环稳定性脱盐性能。

第一作者：梁明星，白雪婷

通讯作者：于飞，马杰

通讯单位：上海海洋大学

论文DOI：10.1007/s12274-020-3097-x

本文亮点

■  利用限域生长策略，一步原位合成氮掺杂、碳包覆的均匀致密的花生状TiO₂纳米颗粒；

■  N-TiO_2-x/C电极展现了高吸附容量、快脱盐速率和优异的循环稳定性，100次循环后，脱盐容量未出现明显的下降；

■  N-TiO_2-x/C粒径小，有利于缩短离子传输路径，氮掺杂、碳包覆为离子吸附提供更多的吸附位点，提高电极材料的导电性，表面碳壳层的保护有利于提高电极长循环脱盐稳定性。

图文导读

■  N-TiO_2-x/C材料的制备与表征

材料制备步骤简易，以Ti₃C₂T_x为衍生前驱体，以三聚氰胺海绵作为氮源，同时为TiO₂生成提供限域生长空间，通过一步水热法，原位合成氮掺杂、碳包覆的均匀致密的花生状TiO₂纳米颗粒。其中，碳酸氢铵在高温高压下分解产生的气体，促使多孔结构的产生。

Figure 1. Schematic diagram for the preparation of N-TiO_2-x/C.

XRD表明TiO₂呈锐钛矿相，FTIR和XPS揭示氮元素成功掺杂到TiO₂中，同时TiO₂表面包覆着碳壳层（FTIR、HRTEM）；SEM、TEM表明TiO₂呈现均匀致密的花生状，粒径约25 nm；N-TiO_2-x/C孔径分布处于介孔范围，样品亲水，有利于脱盐进程的进行。

Figure 2. Characterization of N-TiO_2-x/C material.

Figure 3. XPS spectra of N-TiO_2-x/C material.

■  N-TiO_2-x/C材料的电化学性能

N-TiO_2-x/C表现出赝电容特性、较高的电化学容量和优异的电化学稳定性，在循环50次后，电化学比电容基本维持不变，容量保持率在85%以上。

Figure 4. Electrochemical properties of N-TiO_2-x/C.

■  N-TiO_2-x/C材料的电化学脱盐性能

N-TiO_2-x/C电极材料具有高脱盐容量（33.41 mg·g^-1）、快脱盐速率（1.51 mg·g^-1·min^-1）和优异的脱盐循环稳定性（循环100次后，脱盐容量基本不变，容量保持率在90%以上）。氮元素的掺杂、碳壳层的包覆和TiO₂的赝电容特性有利于提高整个系统的脱盐性能，N-TiO_2-x/C电极材料展现的脱盐容量、速率和长循环稳定性远远优于同类电极材料。

Figure 5. Desalination performance of N-TiO_2-x/C electrode.

 

文献链接：https://doi.org/10.1007/s12274-020-3097-x